磁控溅射纳米多层膜替代电镀铬涂层的研究

题名:磁控溅射纳米多层膜替代电镀铬涂层的研究
作者:张治国
学位授予单位:大连理工大学
关键词:磁控溅射;;氮化铬;;纳米多层膜;;纳米硬度;;摩擦磨损
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Neodymium Magnets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http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets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。
学位年度:2009