磁控濺射法制備碳摻雜氮化物系硬質(zhì)鍍層組織結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、磁控濺射離子鍍技術(shù)制備的氮化物系硬質(zhì)鍍層具有較高的硬度和良好的熱穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于有耐磨要求的工模具表面以延長其使用壽命。但是，氮化物系硬質(zhì)鍍層對常用金屬的摩擦系數(shù)較大，不采取適當(dāng)?shù)臐櫥胧⒉荒軡M足高速相對運動系統(tǒng)摩擦副之間低摩擦力的性能要求，并且，隨著裝配精度等級的提高和相對運動速度的增大，液體潤滑介質(zhì)愈來愈難以在摩擦副表面形成連續(xù)膜而不能起到潤滑效果。因此，采用磁控濺射離子鍍技術(shù)易于實現(xiàn)多元素?fù)诫s的工藝優(yōu)點，通過選擇具有減摩特性

2、的物質(zhì)控制摻入氮化物鍍層，進(jìn)而制備出既能保持氮化鍍層高硬度的性能優(yōu)點、又具有較低摩擦系數(shù)的自潤滑鍍層便成為近年來薄膜制備領(lǐng)域的一個研究熱點。
　　 基于此，本文以常用的固體潤滑材料石墨為碳源，采用磁控濺射離子鍍技術(shù)制備出了摻雜碳主要以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)彌散分布于氮化物基體或與氮化物呈納米層狀結(jié)構(gòu)交替分布的摻碳改性類氮化物鍍層。綜合運用材料學(xué)、摩擦學(xué)等理論以及XRD、TEM、AFM等分析手段研究了摻碳對氮化物系硬度鍍層微觀組織結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)

3、性能的影響機(jī)制及規(guī)律，得到如下主要研究結(jié)果：
　　 研究了CrN和TiN兩類單金屬氮化物鍍層中摻入碳元素時其組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，試驗發(fā)現(xiàn)：由于TiN和TiC晶體結(jié)構(gòu)類型相同、點陣常數(shù)相近，在此氮化物鍍層中摻入碳時，將有少量的C原子部分置換該氮化物晶體中的N原子而形成Ti(C，N)相，使原TiN的衍射峰發(fā)生偏移，而其余C原子則以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)彌散分布于氮化物基體或與氮化物形成交替分布的納米層狀結(jié)構(gòu)；另一方面，由于CrN和CrC的晶體結(jié)

4、構(gòu)類型不同，點陣常數(shù)差異較大，C原子難以置換CrN晶體中的N原子而形成Cr(C，N)相，TEM觀察到了少量的微晶碳化物鑲嵌于氮化物基體之中，而大量的C原子則以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)彌散分布于氮化物基體或與氮化物形成交替分布的納米層狀結(jié)構(gòu)；C原子是以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)彌散分布于氮化物基體還是與氮化物形成交替分布的納米層狀結(jié)構(gòu)取決于碳元素的摻入總量。
　　 研究了摻碳對氮化物鍍層微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：合適的摻碳量能明顯減小

5、鍍層的晶粒，降低鍍層表面粗糙度，隨著摻碳量的增加，鍍層由晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變，并且鍍層由典型的柱狀晶體結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米多層結(jié)構(gòu)；總體上看，摻碳能不同程度提高氮化物鍍層的硬度，但是隨著摻碳量的增加，鍍層的韌性變差；摻碳能明顯減小鍍層的摩擦系數(shù)，隨著摻碳量的增加，鍍層的摩擦系數(shù)逐漸減小，并且鍍層的磨損率均有不同程度的降低。借助XPS對于鍍層中碳元素的化學(xué)態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：鍍層中的碳元素主要以單質(zhì)碳和碳化物的形式存在，其中以sp2鍵形式存

6、在的單質(zhì)碳占了相當(dāng)大的比例，以sp2鍵形式存在的單質(zhì)碳具有跟石墨類似的結(jié)構(gòu)和特性，隨著鍍層的磨損，可為摩擦副表而提供轉(zhuǎn)移膜，能起到減摩的作用。
　　 運用摩擦學(xué)理論，借助光學(xué)顯微鏡和能譜儀對于純氮化物鍍層及摻碳改性氮化物鍍層的表面磨痕形貌及成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明：對于純金屬氮化物鍍層，其磨損機(jī)制主要為黏著磨損，隨著摻碳量的增加，其磨損機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。
　　 為檢驗摻碳改性氮化物鍍層的實際應(yīng)用效果，針對滾動軸承滾珠