閉合場非平衡磁控濺射沉積的CrAlN薄膜組織結構和性能研究.pdf

1、CrN薄膜由于具有高的硬度、優(yōu)良的耐腐蝕和耐磨損性能，被廣泛應用于模具和切削工具等領域。在面心立方的CrN中加入少量的Al可形成亞穩(wěn)態(tài)的三元固溶體CrAlN，能進一步提高薄膜的機械性能。
　　 本文采用氣體離子源增強閉合場非平衡磁控濺射技術，在Ar+N2 混合氣體中濺射純Cr和Al 靶沉積CrAlN薄膜，研究了偏壓和靶功率對薄膜組織結構、硬度和膜基結合強度的影響規(guī)律，并對薄膜抗多次沖擊能力、抗高溫氧化性和耐腐蝕性進行了研究，同時

2、為了進一步探究CrAlN薄膜的應用潛力，對未氮化和離子氮化H13 鋼基體上沉積的CrAlN薄膜的耐腐蝕性和在室溫和600 ℃下的耐磨性能進行了探討，得到如下結果：
　　 (1)基體偏壓極大地影響著CrAlN薄膜的顯微結構和硬度，在相同的Al/Cr 靶功率比率下，隨著基體偏壓的增加，薄膜的致密度和硬度增加，薄膜抑制裂紋擴展的能力增強，膜基結合強度增加；且隨著基體偏壓的增加，CrAlN薄膜的(111)衍射峰的強度降低、峰變寬，這歸因

3、于晶粒尺寸和微觀應力的變化。在相同的基體偏壓下，隨著Al/Cr 靶功率比率的增加，薄膜的致密度和硬度也增加。
　　 (2) 多次沖擊試驗表明，隨著CrAlN薄膜致密度的提高，以及硬度和斷裂韌性的增加，抗多沖能力提高。基體偏壓為-120V時沉積的薄膜表現(xiàn)出最好的性能，具有高的硬度，良好的結合強度以及抗多次沖擊能力。
　　 (3) 循環(huán)氧化試驗表明，CrAlN薄膜的抗氧化能力隨基體偏壓的增加而增加。主要是由于鋁含量的增加導致

4、薄膜表面形成更多的致密的鉻鋁混合氧化物，它們充當了氧原子向內擴散的阻礙層，減少了氮化物的進一步氧化；同時更多的鋁與氮以共價鍵結合，提高了薄膜的熱穩(wěn)定性。
　　 (4) H13 鋼基體表面沉積CrAlN薄膜后顯著提高了基體的耐腐蝕性能，且隨著基體偏壓的增加耐腐蝕性能增加，這是由于薄膜的致密度增加，晶粒尺寸和表面粗糙度減小。H13 鋼經離子氮化和表面沉積CrAlN薄膜復合處理后，耐腐蝕性進一步提高，因為鋼基體氮化形成的致密的鐵氮化物

5、能夠有效阻止腐蝕介質侵入基體。
　　 (5) 室溫磨損試驗表明：H13 鋼表面沉積CrAlN薄膜后，耐磨性提高，并且隨著基體偏壓的增加，耐磨性進一步提高。在600 ℃無潤滑條件下的磨損試驗表明：H13 鋼基體表面沉積CrAlN薄膜后，引起摩擦系數(shù)增大，但耐磨性提高。這是由于摩擦過程中CrAlN薄膜中的鋁和鉻發(fā)生氧化，生成硬質氧化物，引起磨料磨損，使得摩擦系數(shù)增大，但由于CrAlN薄膜高的硬度和斷裂韌性，使得耐磨性提高。H13 鋼