ZrCN/VN纳米结构多层膜的微结构、力学性能及摩擦性能研究

通过非平衡磁控溅射的方法制备了不同调制比的ZrCN/VN纳米结构多层膜,采用X射线衍射、纳米压痕仪和高温摩擦磨损仪等对薄膜的微结构、力学性能及摩擦性能进行了研究。结果表明,在ZrCN/VN多层膜中,改变调制比,多层膜始终呈现fcc结构,并且沿(111)面择优生长,当VN调制层厚度为0.2 nm时ZrCN/VN多层膜的硬度达到最大值,为34.5 GPa。常温摩擦系数随VN层厚度的增加先增加后减小,高温摩擦系数逐渐降低,Magnéli相V2O5的生成是摩擦系数降低的主要原因。

TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN多层涂层的摩擦磨损性能

采用化学气相沉积(CVD)技术在硬质合金表面沉积TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN多层涂层,并对其进行微喷砂处理。采用扫描电镜(SEM)表征涂层的组织结构,利用显微硬度计、纳米压痕仪、划痕测试仪和往复式摩擦磨损实验机(UMT-3)测试涂层的硬度、结合强度和摩擦磨损性能,并与TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/TiOCN涂层进行比较。结果表明:TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN涂层的磨损机理主要包括磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损和疲劳磨损。相比于摩擦1 h,TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN涂层摩擦2 h,剥落增多,且磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损加剧,磨损率增加了33.3%;摩擦3 h,涂层磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损进一步加剧,但剥落减轻,磨损率较摩擦2 h略有降低。摩擦1 h,TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN涂层的摩擦系数(0.33)比TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/TiOCN涂层(0.39)低;尽管TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN涂层韧性好,疲劳磨损较轻,但磨粒磨损严重,且存在明显剥落,磨损率高,耐磨性较差。

磁过滤阴极真空弧法制备纳米nc-ZrCN/a-C:H(N)复合膜

采用磁过滤阴极真空弧法,以C2H2和N2混合气体为反应气体在单晶硅上沉积纳米nc-ZrCN/a-C:H(N)复合膜,用X射线衍射(XRD)、扫描电镜的能谱仪(SEM-EDS)和X射线电子能谱(XPS)研究了薄膜的成分和结构.实验结果表明薄膜结构是由ZrCN晶粒镶嵌在无定形碳和碳氮化合物基体中;膜中的化合键主要以Zr—C,C C(sp2)和C—C(sp3)形式存在;随着混合气体流量的增加,薄膜的锆原子分数减小,而N和C的原子分数逐渐增大.

非平衡磁控溅镀制备ZrCN-Ti及ZrCN-W镀膜的磨润性能研究

许多年来,氮化钛镀膜的使用相当普遍。在周期表中与钛属于同一周期的另一过渡元素锆,亦是一引人注目的材料。已有许多关于氮化锆的研究,然而,对碳氮化锆的了解仍然有限。本研究使用非平衡磁控溅镀系统制备了ZrCN镀膜,探讨了C2H2/N2反应气体流量比例、以及添加Ti、W等对ZrCN硬度和磨耗性能的影响。结果显示,在总反应气体流量固定不变状态下,ZrCN硬度及磨润性能随反应气体流量比例降低而增加;添加Ti和W会显著增加ZrCN的硬度和磨耗性能,添加Ti的效果比添加W的佳。不论有无添加物,Zr CN的磨耗性能皆明显比TiN的佳。

C含量对ZrCN薄膜结构和力学性能的影响

通过非平衡磁控溅射的方法制备了不同C含量的ZrCN复合薄膜,采用XPS,XRD,SEM,AFM,纳米压痕仅和摩擦磨损仅等对薄膜的化学成分、微结构、表面形貌、力学性能及摩擦磨损性能进行了研究.结果表明,ZrCN薄膜中(C+N)/Zr原子比对薄膜的相组成、微结构和力学性能都有很大的影响.当(C+N)/Zr原子比小于1时,C进入ZrN的晶格间隙并形成Zr(C,N)固溶体.而当(C+N)/Zr原子比大于1时,多余的C形成非晶态的CN或单质C,ZrCN复合膜呈fcc结构.随着C含量升高,ZrCN复合膜的硬度先增大后减小,而摩擦系数逐渐减小,磨损所产生的磨痕逐渐变窄、变浅.C的加入使得ZrCN复合膜的摩擦磨损形式发生改变,摩擦磨损性能得到提高.含C量为13.2%的ZrCN薄膜硬度达到31 GPa,摩擦系数仅为0.26,综合具备了硬度高、摩擦磨损性能好的优良特点.

C_2H_2/N_2气流下nc-ZrCN/a-CN_x薄膜成分、结构和力学性能的研究

采用磁过滤阴极真空弧技术(FCVA),以金属Zr为阴极靶,通入不同流速的C_2H_2和N_2气体(两者比例保持为1∶1),在单晶Si(100)晶面上制备nc-ZrCN/a-CN_x纳米复合薄膜。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线电子能谱(XPS)和拉曼散射能谱(Raman)多种材料分析技术研究薄膜的成分和结构。实验结果表明:薄膜是由两种相结构组成,分别为ZrCN纳米晶相(nc-ZrCN)和非晶相(a-CN_x);结构是由平均晶粒尺寸为5~12nm的nc-ZrCN弥散于非晶相a-CN_x中。纳米晶相nc-ZrCN中键态为Zr-C和Zr-N,非晶相aCN_x中键态为C-C,C=C和C-N。利用表面形貌仪(SM)和纳米力学探针(Nanotest)测量了薄膜的内应力、硬度和约化模量等力学性能。分析发现:薄膜中sp3和sp2的含量比(sp3/sp2)越大,内应力越大,内应力最大可达11.5GPa。ZrCN纳米晶粒细化和高的sp3/sp2含量比会提高薄膜的硬度和约化模量。当气流在15~35ml·min^(-1)范围时,薄膜具有很高的硬度和约化模量。当气流为25ml·min^(-1)时,硬度可达35.1GPa,约化模量达297.2GPa。

TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN多层涂层的热稳定性能研究

本文采用化学气相沉积(CVD)在WC-Co硬质合金基体上沉积TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN多层涂层,并进行微喷砂处理。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度计、划痕测试仪和往复式摩擦磨损实验机表征涂层的组织结构和性能,通过对比900℃和1000℃真空退火前后涂层的显微组织结构及性能,研究其热稳定性能。结果表明:真空退火对TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN涂层物相无明显影响;900℃退火后,涂层硬度和结合强度分别降低9.4%和46.7%,1000℃退火后,涂层的硬度和结合强度下降幅度更大,分别降低15.6%和59.5%,TiN/MT-TiCN/Al_(2)O_(3)/ZrCN涂层在900℃下热稳定性能较好;由于表面粗糙度增大,退火涂层的摩擦系数略有增加;相比于未退火涂层,由于残余压应力、硬度和结合强度下降,1000℃退火涂层粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损加剧,导致磨损率增大,耐磨性降低。