掺钨类金刚石薄膜的制备及高速钢基体的应用研究

发布时间：2017-06-25 17:15

  本文关键词：掺钨类金刚石薄膜的制备及高速钢基体的应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文通过非平衡磁控溅射沉积技术在高速钢的表面沉积掺钨(W)类金刚石薄膜,研究了不同W靶功率、基体渗氮以及铬(Cr)过渡层对类金刚石薄膜结构和性能的影响,探讨了摩擦副材料、载荷和湿度等因素对掺钨类金刚石薄膜摩擦学特性的影响。利用XRD、拉曼光谱、台阶仪、纳米压痕仪和划痕仪等方法检测了薄膜的结构、粗糙度、硬度和结合力等力学性能,通过摩擦磨损试验机、SEM和EDS等手段研究了不同摩擦磨损条件下掺钨类金刚石薄膜的摩擦磨损行为。在W靶功率为0 kW、0.1 kW和0.3 kW条件下,制备并研究了类金刚石薄膜的结构、力学性能和摩擦磨损行为。结果表明:W的掺杂可以在DLC薄膜中形成WC相,有效提高了类金刚石薄膜的显微硬度和与基体的结合能力,同时降低摩擦系数,改善薄膜的摩擦磨损性能。尤其,当W靶功率为0.1 kW时,少量W的掺入使薄膜获得最佳的综合力学性能。适宜的离子氮化工艺处理后,高速钢基体表面生成硬度较高的CrN新相,从而影响了碳膜在钢基体上的形核方式,明显增加了DLC薄膜的沉积效率。由于CrN基底物相促使DLC薄膜中碳-氮和碳-碳强力共价键的形成,并且氮化后基体表层的压应力状态使DLC薄膜与基体材料的硬度梯度减小,因此,适宜的离子氮化工艺显著提高了DLC的膜-基结合力。然而,离子氮化后的钢基体不利于sp3键的形成,或促使碳元素的结构石墨化,因此,DLC薄膜的硬度由于离子氮化而有所下降。研究表明:相对于常规的通过引入Cr过渡层来提高膜-基结合力的方法,采用离子氮化对钢基体材料前处理具有更加显著的作用。选择硬度不同的摩擦副材料发生摩擦时,基底不同表面处理的W-DLC薄膜呈现不同的摩擦磨损机理,包括粘着磨损、磨粒磨损,以及摩擦表面的疲劳和氧化。随着摩擦副材料硬度的不断增大,薄膜的摩擦系数逐渐降低,磨损率总体上也呈现下降的趋势。湿度分别在30%和60%时,薄膜的摩擦系数均随载荷从10N增加到40N呈现出先增加后减小的规律,在载荷为30 N取得最小值;而磨损率均随着载荷的增大而增加,且湿度为60%条件下薄膜的磨损率大于湿度为30%条件下的磨损率。磨屑的拉曼光谱结果显示,摩擦过程导致薄膜发生石墨化转变,而载荷和湿度对磨屑结构的影响不大。
【关键词】：掺钨类金刚石薄膜 靶材功率 基体渗氮 摩擦磨损
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ163;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 类金刚石薄膜的结构、制备方法、性能及应用10-14
• 1.1.1 DLC的结构10-11
• 1.1.2 DLC薄膜的制备方法与生长模式11-13
• 1.1.3 类金刚石的性能与应用13-14
• 1.2 DLC薄膜基体渗氮处理14-16
• 1.3 类金刚石薄膜的摩擦磨损机理16-18
• 1.4 论文研究内容及意义18-20
• 第二章 实验方法20-28
• 2.1 实验原理与实验设备20
• 2.2 薄膜制备方法20-22
• 2.2.1 基体材料及预处理20-21
• 2.2.2 基体氮化21
• 2.2.3 类金刚石薄膜沉积21-22
• 2.3 结构表征手段和性能测试方法22-28
• 2.3.1 台阶仪(Step profile)22
• 2.3.2 拉曼光谱(Raman spectra)分析法22-23
• 2.3.3 纳米压痕仪(Nano-indentation)23-25
• 2.3.4 薄膜结合强度的表征25-26
• 2.3.5 薄膜摩擦学性能的表征26
• 2.3.6 扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)26-28
• 第三章 钨靶功率对掺钨DLC薄膜结构与性能的影响28-38
• 3.1 薄膜的结构分析28-31
• 3.1.1 薄膜的XPS分析28-29
• 3.1.2 薄膜的拉曼光谱29-31
• 3.2 薄膜的表面颗粒度31-32
• 3.3 薄膜的沉积效率32
• 3.4 薄膜的硬度32-33
• 3.5 薄膜与基体的结合力33-35
• 3.6 薄膜的摩擦磨损性能35-36
• 3.7 本章小结36-38
• 第四章 基体氮化与Cr中间层对W-DLC薄膜结构与性能的影响38-46
• 4.1 XRD图谱分析38-39
• 4.2 拉曼光谱分析39-40
• 4.3 薄膜的沉积效率40-41
• 4.4 表面粗糙度41-42
• 4.5 薄膜的硬度和韧性分析42
• 4.6 膜-基结合力42-45
• 4.6.1 洛氏压痕测试42-43
• 4.6.2 划痕测试43-45
• 4.7 本章小结45-46
• 第五章 摩擦条件对W-DLC薄膜摩擦磨损性能的影响46-62
• 5.1 摩擦副材料的硬度对摩擦磨损的影响46-55
• 5.1.1 GCr15轴承钢摩擦副46-49
• 5.1.2 40Cr碳钢摩擦副材料49-52
• 5.1.3 WC摩擦副52-53
• 5.1.4 Al2O3摩擦副53-55
• 5.2 载荷与湿度对摩擦磨损的影响55-61
• 5.2.1 摩擦系数56-57
• 5.2.2 磨损形貌与磨损率57-60
• 5.2.3 磨屑的结构分析60-61
• 5.3 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-68
• 致谢68

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