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磁控溅射纳米多层膜替代电镀铬涂层的研究

张治国  
【摘要】: 工业电镀铬涂层在各行各业有着广泛的应用,然而电镀铬过程对环境的污染十分严重。本论文工作为合成和表征CrN基的纳米多层膜以用于对工业电镀铬涂层进行取代;研究的材料包括氮化铬薄膜、Cr-Zr-N三元多相、多层薄膜以及CrN/ZrSiN纳米多层膜。因电镀铬在现代工业中的应用是多种多样的,在本论文中,主要针对其抗磨损,抗腐蚀等领域的替代进行了研究。论文研究目的为:探索基于磁控溅射技术的、结构和性能可控的新型薄膜,使其能应用于工业规模的电镀铬取代。论文中应用到GDOES、XRD、SEM以及TEM等技术对薄膜成分和结构进行了表征,薄膜的力学性能、摩擦学以及抗腐蚀性能则通过纳米硬度、摩擦学测试以及动电位极化等技术表征。论文主要工作分为以下几个方面: 首先研究了氮化铬薄膜的合成和优化技术,特别针对磁控溅射参数中的氮气流量以及基体偏压的优化技术进行了研究。研究结果表明,薄膜成分和相结构随氮气流量的变化规律可以通过沉积气压、溅射靶电压随氮气流量变化的曲线来预测;在6sccm和12sccm的氮气流量下分别得到了纯的Cr_2N和CrN薄膜。硬度测试结果表明纯的Cr_2N、CrN以及具有200择优取向的铬固溶体Cr(N)具有较高的硬度和弹性模量。摩擦磨损测试发现CrN比Cr_2N抗研磨磨损能力更好。腐蚀测试鉴定,在3.5%NaCl溶液中,几种材料的抗腐蚀能力高低顺序为a-CrN>Cr>Cr_2N>CrN>AISI 304。此外,本文还应用等离子体发射光谱(OES)研究了氮化铬薄膜的性能随偏压变化的规律。研究发现沉积氮化铬薄膜的化学反应过程主要是在基体表面上进行的;增加基体偏压将导致氮化铬薄膜中氮成分下降。在中等偏压(60V<|U_b|<100 V)下沉积的氮化铬薄膜具有较高的硬度和弹性模量并同时具有较低的摩擦系数和最好的抗研磨磨损能力。由于以60V射频自偏压沉积的CrN薄膜在抗磨损以及抗腐蚀两方面均表现优异,因此本论文确定沉积薄膜的基体偏压优化值为60V。 在Cr-Zr-N系统中研究主要针对体系中的多层膜系统,同时还研究了该体系中的多元薄膜。对于Zr改性的CrN薄膜(CrN(Zr))多元薄膜,XRD分析表明薄膜结构为置换固溶体。当CrN(Zr)薄膜中Zr成分为1.5 at.%时,薄膜具有最大的硬度,为24GPa。腐蚀测试结果表明,Zr的添加提高了CrN薄膜的化学惰性。对CrN/ZrN多层膜的研究表明所得薄膜为周期结构的纳米多层膜。TEM观察发现该纳米多层膜由纳米晶的CrN和ZrN单层组成。此外,多层膜硬度受调制周期影响较小,几乎为常数(29GPa)。研究结果还表明所得到的纳米多层CN/ZrN薄膜具有良好的抗磨损性能。电化学测试显示薄膜具有较高的抗腐蚀能力。 论文进一步的工作为往CrN/ZrN多层膜中的ZrN单层中加入Si元素。沉积得到的CrN/ZrSiN多层膜调制周期从11nm~153nm不等。ZrSiN单层膜为纳米复合结构;多层膜为具有良好周期性的纳米多层膜结构。多层膜具有不随调制周期变化、几乎为常数的硬度和弹性模量,其数值分别为30GP和350GPa。CrN/ZrSiN多层膜的性能测试结果表明CrN/ZrSiN多层膜结构可整合ZrSiN单层膜的高硬度和CrN薄膜的高韧性。在腐蚀测试中,CrN/ZrSiN多层膜展现出良好的化学惰性。研究证实向ZrN单层中加入Si是提高CrN/ZrN腐蚀系统抗点蚀能力的一种有效方法。


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