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直管过滤阴极弧TiC不沾锡薄膜制备及耐磨性研究

吴忠振  
【摘要】: 随着电子工业技术的发展,无铅化已经成为电子焊接工业领域的发展趋势。由于无铅钎料中Pb含量减少,含Sn量增加,导致于原来用于焊接的大型设备中不锈钢材料的链爪、锡槽、叶轮等在无铅钎料中受到严重腐蚀而破坏,而且在焊接过程中,不锈钢夹具沾锡量也大幅增加,使得设备寿命大大降低,生产成本也相应提高。为了保证这些大型设备在无铅钎料中也能保持较高的寿命,这些易被腐蚀而破坏的不锈钢材料亟需改变或改性。 本文针采用直管过滤阴极弧的方法,在AISI304不锈钢表面制备了TiC薄膜,在此基础上采用等离子注入的方法对薄膜进行注C处理,制备了富碳的TiC薄膜。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光谱分析(XPS)、Union DZ3体式显微镜、浸锡实验、润湿张力测试、接触角测试、显微硬度、摩擦磨损、划痕试验、热循环实验和电化学腐蚀等检测手段对薄膜的形貌成分和性能进行了分析。考察了不同的参数及等离子注入处理对薄膜形貌和性能的影响,确定了本实验中制备TiC薄膜的最佳工艺。 结果表明,直管过滤阴极弧方法在不锈钢表面可以制备结合良好、表面致密、性能优良的TiC薄膜。制备的TiC薄膜沿(111)和(200)面竞相生长。在液态锡钎料中浸泡1周后,没有腐蚀和大量扩散的迹象。浸锡后沾锡量很少,几乎可以忽略不计。液态锡钎料对薄膜不润湿,润湿张力为0,接触角为133.95°,可以有效的防止沾锡。 所有处理的试件都相对于不锈钢表现出非常好的摩擦学性能,镀膜后,摩擦系数从0.6降低到0.11。同时,显微硬度、膜基结合力和耐腐蚀性能也得到明显改善(显微硬度、腐蚀电位和腐蚀电流相对于不锈钢的200HV、-0.671V和51μA分别改善到1335HV、-0.288V和1.84μA,膜基结合力为58.67N,热循环后仍为51.21N)。对最优试件进行了PIII注C处理,获得了富碳的TiC薄膜,表面生产一层很薄的类金刚石膜,但其中含有大量的非晶石墨相。对液态锡的接触角增加到136.7°,表现出良好的不沾锡性能,由于薄膜中富碳相的存在,薄膜的摩擦系数降低到0.09~0.1,其耐腐蚀性能也得到改善。 综合对TiC薄膜所有性能的分析得出:C_2H_2分压为0.5Pa,Ar分压为0.5Pa,电弧电流为80A,基底偏压为-100V,沉积时间为10min工艺下制备的薄膜综合性能最佳。对TiC薄膜进行了PIII复合离子注C处理,可以制备富碳的TiC薄膜,进一步改善薄膜的耐摩擦和耐腐蚀等机械性能。


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