钨掺杂量对剪羊毛机刀片表面非晶碳基薄膜性能的影响

为了解决国产电动羊毛剪刀的刀片基体寿命不足及其表面制备DLC薄膜质量可靠性差等问题,采用非平衡磁控溅射技术在剪羊毛机刀片常用材料GCr15轴承钢表面制备不同钨含量的非晶碳基薄膜。采用纳米压痕仪、划痕仪、摩擦磨损试验机和三维形貌仪对不同钨含量的非晶碳基薄膜的硬度、弹性模量、膜基结合力和摩擦磨损性能进行表征。结果表明,当薄膜中钨含量为9.4%~23.56%时,薄膜的硬度、弹性模量、平均摩擦因数和磨损量都增大。4种钨含量碳基薄膜的膜基结合力都60N,其中钨含量为21.06%的碳基薄膜的膜基结合力最高,达到74.5N。在整个摩擦过程中,钨含量为12.63%薄膜的摩擦因数最稳定。当钨含量为21.06%和23.56%时,薄膜磨痕形貌呈现典型的磨粒不均匀研磨的形貌特点。     

氮化硅陶瓷表面DLC膜的制备及摩擦性能研究

利用等离子体基离子注入与沉积技术,在氮化硅陶瓷片表面制备200～400nm的类金刚石碳膜。测试薄膜的厚度、表面形貌、结构、膜基结合力,利用球盘试验机考察DLC膜的摩擦性能。结果表明:沉积薄膜均匀光滑;薄膜的硬度和弹性模量与基体差异较小,膜基结合力强;DLC膜具有较低的摩擦因数,抗磨性能优异。     

蔗糖过渡层对离子液体前驱体制备碳基薄膜的影响

利用离子液体前驱体热解工艺,选取Al2O3作为基体制备了碳基薄膜,对比了含有蔗糖过渡层的碳基薄膜与不含过渡层的碳基薄膜的表面形貌、结构特征,以及摩擦学性能差异,探究了使用蔗糖制备过渡层的可行性,及蔗糖过渡层对离子液体前驱体制备所得碳基薄膜性能的影响。利用X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对碳基薄膜的结构和表面形貌进行了分析,利用划痕仪对不同薄膜间膜基结合力进行了测试,并对薄膜的摩擦学性能进行了考察。结果表明,蔗糖过渡层可有效提高膜基间的结合力。     

轴承表面钨掺杂类金刚石薄膜性能研究

利用物理气相沉积技术在圆柱滚子轴承表面制备钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜,通过试验考核了Cr4Mo4V高温轴承表面W-DLC薄膜的均匀性和断油条件下的减摩耐磨特性。结果表明:薄膜层间以及膜层与基体之间结合力不小于55 N;与未镀膜的基体表面相比,镀膜后表面的摩擦因数降低了70%,磨损量减少了约80%;经过30 min断油试验后镀膜轴承表面W-DLC薄膜仍保持完整,可继续使用,未镀膜轴承滚道表面出现烧蚀斑块、点状剥落,滚子表面出现较大的剥落坑与划痕等缺陷。     

氮化钛硬质薄膜的制备和性能分析

研究热阴极离子镀设备制备TiN薄膜膜层的主要性能。采用自主研发的XH-830型热阴极离子镀膜机,在硬质合金ZK1基体上制备TiN薄膜;利用X射线衍射仪,自动划痕仪,显微硬度计和扫描电镜对薄膜进行了结构分析和性能检测。采用XH-830镀膜机能制备单一的TiN薄膜,膜层晶体为细小的柱状晶,膜-基结合力能达到81N,TiN硬度达到2240HV以上,经切削试验证明,能提高被镀刀片寿命30％。     

模具钢表面多弧离子镀CrAlN涂层的制备及其摩擦性能研究

为了改善模具钢表面质量,采用多弧离子镀技术在H13模具钢表面沉积CrAlN薄膜,探讨H13钢基体表面渗氮处理后对薄膜表面形貌、硬度、结合力、抗氧化性和摩擦磨损性能的影响。结果表明：基体表面渗氮处理前后制备的CrAlN涂层表面均匀致密,都有少量的大颗粒,涂层表面均呈CrN（200）面择优取向,而渗氮后制备的涂层CrN（200）面择优取向更强;基体H13钢经过表面渗氮后,硬度显著提高,对制备的涂层具有支撑作用,降低了裂纹产生倾向,提高了涂层产生裂纹的临界载荷,提高了涂层的膜基结合力;相较于基体表面未渗氮处理制备的CrAlN涂层,基体表面渗氮后制备的CrAlN涂层具有更高的硬度和结合力,更为优异的摩擦磨损性能,且抗高温氧化性能显著增强。     

20CrNiMo钢表面磁控溅射制备TiN/ZrN多层薄膜的形貌及摩擦学性能

利用非对称双极脉冲磁控溅射技术在20CrNiMo钢表面制备了TiN/ZrN多层薄膜,利用扫描电子显微镜和原子力显微镜观察了薄膜的截面和表面形貌,用划痕仪测试了薄膜与基体的结合力,通过球-盘摩擦磨损试验机对薄膜的摩擦学性能进行了研究。结果表明:制备的TiN/ZrN多层薄膜厚度约为2.1μm,薄膜均匀且致密,表面粗糙度为13.63nm;薄膜与基体结合较牢固,临界载荷达到51.0N;薄膜具有优良的减摩性,摩擦因数为0.16,较基体20CrNiMo钢的0.33明显减小,使该钢的耐磨性能得到提高。     

掺杂钨类金刚石膜的显微结构与性能

利用非平衡磁控溅射与离子源复合沉积技术,以高纯甲烷和氮气作反应气体,钨为溅射靶,在40Cr、Si(100)基片和不锈钢基体上分别制备了厚度约为2μm的掺杂钨类金刚石膜,并在类金刚石膜与基体间沉积了过渡层;应用X射线衍射、拉曼光谱、俄歇电子能谱等手段分析了掺杂钨类金刚石膜的显微结构和表面成分;应用球盘摩擦磨损试验机以及纳米硬度计等测试了膜的硬度、摩擦性能及结合强度。结果表明:所制备的膜表面均匀、致密、光滑,具有典型的类金刚石结构特征;掺杂的钨弥散分布在无定型的碳中,一部分形成W2C微晶相;当膜中钨原子分数约为20%时,膜的硬度最高,摩擦因数也相对较小,膜基结合力在70 N以上。     

硅基底上喷射电沉积铜/钴多层膜的结合力

在硅基底上利用喷射电沉积法制备铜/钴多层膜和单层纯铜膜,研究了多层膜的形貌、多层膜和单层铜膜与基体的结合力以及划痕方向对膜基结合力的影响。结果表明:对硅基底进行抛光处理可使膜基结合力减小,粗化处理可在一定程度上提高膜基结合力;多层膜与基底的结合力大于单层铜膜与基底的结合力;当划痕方向平行于工件运动方向时,膜层中的内应力变化不均匀,很容易造成应力累积而使得临界载荷减小,从而使得膜基结合力明显小于划痕方向垂直于工件运动方向时的膜基结合力。     

T10钢表面BN薄膜结合力改善及减摩性研究

采用射频磁控溅射法在T10碳素工具钢表面制备了氮化硼薄膜;研究了在基材和薄膜之间化学镀N i-P中间层对薄膜结合力的影响;使用摩擦试验机对基材和镀膜后的试样进行了摩擦性能检测;通过划痕试验进行了结合强度试验。结果表明在工具钢表面溅射镀BN薄膜后摩擦因数明显降低,从原来的0.8下降到0.6,具有良好的减摩效果;BN薄膜和T10钢基材之间有一定的结合强度,加入N i-P中间层以后膜基结合力有显著增加,能达到约30 N;采用射频磁控溅射法制备得到的薄膜内部的应力为压应力,这有利于薄膜的附着和立方相氮化硼的形成。     

脉冲偏压对PECVD制备DLC薄膜的结构及性能的影响

在不锈钢基材表面利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)改变脉冲偏压制备不同结构类金刚石薄膜(DLC)。分别采用表面轮廓仪、扫描电镜、拉曼光谱及电子探针分析薄膜的表面粗糙度、断面形貌、薄膜结构及成分,采用纳米压痕仪及划痕仪测试薄膜的纳米硬度、弹性模量和膜基结合力,采用球盘摩擦试验机测试薄膜在大气环境中的摩擦学性能。结果表明:脉冲偏压显著影响PECVD制备的DLC薄膜的表面粗糙度、微观形貌、膜基结合力、纳米硬度及摩擦学性能;随偏压的增大,DLC薄膜的表面粗糙度,摩擦因数及磨损量都先减小后增大,而膜基结合力则先增大后减小。其中2.0 k V偏压制备的DLC薄膜具有最强的膜基结合力,而1.6 k V偏压制备的DLC薄膜具有最低的表面粗糙度、最高的硬度和最优的减摩耐磨性能。     

金属密封环表面大气压等离子体枪沉积类金刚石薄膜耐磨性能

采用大气压介质阻挡放电等离子体枪,在低温下(350℃),以甲烷为单体,氩气为工作气体,在金属密封环表面制备一层附着牢固的类金刚石薄膜(DLC),以期改善其表面耐磨性能。利用激光拉曼(Raman)光谱分析所制备DLC薄膜的结构;利用原子力显微镜(AFM)分析其表面形貌;利用划痕仪测量其与基体的结合力;用扫描电子显微镜(SEM)观察其划痕形貌;并利用球-盘摩擦磨损实验仪考察其耐磨性能。结果表明:在本实验工艺条件下沉积的类金刚石薄膜厚度约为500nm,薄膜均匀且致密,表面粗糙度为Ra5～6nm,其与基体结合力达到49N;制备的DLC薄膜具有优良的减摩性,其摩擦因数为0.148,较基体20CrNiMo的摩擦因数0.65明显减小,且耐磨性能得到提高。     

α-C:H膜系与氮化物膜系的结构性能比较及机理分析

采用非平衡磁控溅射与阳极离子束技术制备Cr/α-C:H膜系,同时采用多弧离子镀技术分别制备Cr/CrNx与Ti/TiNx膜系,膜层厚度均为2μm。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、Raman光谱、X射线衍射仪分析三种薄膜的微观结构和表面形貌;采用WS-2005型附着力划痕仪测试三种膜系与SKD11不锈钢基体的结合强度;采用自主研制的球磨仪测试制备在SKD11不锈钢与YG6硬质合金基体上的三种膜层耐磨性能。结果表明,利用阳极离子束技术制备的α-C:H膜是一种非晶结构、表面平滑的薄膜,粗糙度值仅为5.21 nm,划痕试验临界载荷为17.8 N。而晶态的TiNx与CrNx膜层粗糙度较高,且其表面存有"熔滴",但其结合强度较高,划痕试验临界载荷达80 N以上。α-C:H膜层的耐磨性能优于TiNx,CrNx,且沉积在YG6硬质合金基体上的膜层单位磨损率均比SKD11不锈钢基体上的膜层低。     

复合氮化合物薄膜的研究

采用多源PVD技术在YG8硬质合金基体上分别沉积了Ti N和Ti NX薄膜,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜以及多功能材料表面试验仪,研究了多种元素的添加对Ti N涂层微观结构、断口和表面形貌的影响。结果表明:添加多种元素可使Ti N涂层的微观结构发生明显变化,能有效控制膜的结晶和生长模式,改变传统的(111)面的单一取向,从原来的(111)的择优取向,转变为(200)、(111)、(220)共同取向;Ti NX涂层的断口呈非柱状结构,表面粗糙度小于Ti N,具有更为均匀致密的结晶结构和光整的表面形貌,趋于Ti Al N薄膜的显微硬度,一致的结晶组织结构、有效的沉积效率、良好的膜基结合力有利于厚膜Ti N的制备;相对于Ti N,寿命可提高50%-100%。     

碳基薄膜水润滑性能的研究进展

评述了碳基薄膜如类金刚石薄膜(DLC)和非晶氮化碳(a-CNx)薄膜水润滑的研究现状和进展。分析了第2元素加入和摩擦副材料对碳基薄膜在水中摩擦磨损特性的影响,探讨了碳基薄膜在水中的磨损机制。指出:氢化或氮化碳基薄膜的磨损率与摩擦副材料的水合反应有关,若摩擦副材料易于摩擦水合反应,碳基薄膜的磨损率很低;3种DLC薄膜在水中的磨损率与DLC的种类和对磨钢球材料无关,都在10-8mm3/(N.m)的数量级上变动;a-CNx/Si基非氧化物陶瓷摩擦副显示很低的摩擦因数和低的磨损率;在相同条件下,a-CNx薄膜比a-C薄膜更能显示优异的水润滑性能。     

高能喷丸镁合金表面磁控溅射铝膜的微观结构和耐腐蚀性能

对AZ91D镁合金基体表面进行不同时间(0,20,30,40min)高能喷丸(HESP)处理,再采用磁控溅射技术在HESP基体表面沉积铝膜,研究了铝膜的微观形貌与耐腐蚀性能。结果表明:HESP基体表面铝膜的表面组织均匀、致密,铝膜较厚,且随着HESP处理时间的延长,组织更加细小、均匀,铝膜厚度增大;经40min HESP处理后,铝膜与基体之间存在明显的过渡层,二者的结合力为16N,是未经HESP处理的3.2倍;与未经HESP处理的相比,HESP基体表面铝膜在NaCl溶液中的自腐蚀电流密度与在盐雾中腐蚀24h后形成的腐蚀坑深度均较小,且随着HESP处理时间的延长,自腐蚀电流密度与腐蚀坑深度均减小,铝膜的耐电化学和耐盐雾腐蚀性能显著提高。     

偏压对掺钨含氢类金刚石碳膜摩擦学性能的影响

利用非平衡磁控溅射技术在单晶硅片及9Cr18基体表面制备不同偏压下的掺钨含氢类金刚石碳膜。采用Ra-man光谱分析薄膜结构,采用纳米硬度测试仪和纳米划痕仪研究薄膜的纳米硬度、弹性模量和膜基附着力,在球-盘摩擦试验机上测试薄膜在大气环境中的摩擦学性能,研究薄膜的摩擦学性能与偏压的关系。结果表明:制备的薄膜样品均具有典型的类金刚石碳膜结构;基体偏压强烈影响薄膜的力学和摩擦学性能,薄膜硬度和弹性模量在0～150 V范围内随着偏压增加而增大,薄膜的摩擦因数在偏压为100 V时最小,在此参数下的耐磨寿命也最长。     

基体偏压对磁控溅射制备CrAlN纳米多层薄膜微观结构和力学性能的影响

采用磁控溅射技术在不同基体偏压(-60,-70,-80,-90 V)下制备了CrAlN纳米多层薄膜,研究了基体偏压对薄膜微观结构和力学性能的影响。结果表明:随着基体偏压绝对值增大,CrAlN纳米多层薄膜中的氮含量增加,物相组成不变,择优取向由CrN(111)晶面转变为CrN(200)晶面,薄膜表面孔隙减少,组织致密性得到改善;基体偏压为-60~-80 V时,偏压对薄膜沉积速率的影响较小,偏压绝对值大于80 V时,沉积速率明显下降;随着基体偏压绝对值增大,薄膜的硬度和弹性模量提高,膜基结合力先增大后减小,在偏压为-80 V时达到最大。     

衬底材料和溅射方法对CNx薄膜膜基结合力的影响

分别将W18Cr4V高速钢和YG8硬质合金作为衬底材料，用直流磁控溅射和射频磁控溅射法制备了CN。薄膜，用划痕法测定了薄膜和衬底材料之间的膜基结合力。结果表明：YG8硬质合金作为衬底材料时薄膜的膜基结合力较高；对YG8硬质合金衬底材料进行适当的腐蚀处理或溅射一层TiN中间层，薄膜的膜基结合力明显提高；对于两种衬底材料，射频磁控溅射法制备的薄膜膜基结合力明显高于直流磁控溅射法制备的薄膜。     

两种陶瓷薄膜的透射电镜研究

采用高分辨透射电镜技术对两种硬质薄膜（AlTiN多层薄膜和AlCN非晶薄膜）样品的显微结构进行了研究。结果表明：在高速钢基体上制备的AlTiN多层薄膜由两种氮含量交替变化的膜层构成,尽管交替的两层中氮含量不同,但每一单层都为纳米晶包含在非晶点阵中的纳米复合结构,不同之处是低氮含量层中纳米晶密度较小;生长在单晶硅基体（100）晶面上的非晶AlCN薄膜,在膜基界面处硅基体上出现应力畸变层,应力畸变层厚度很薄,约3～5个原子层。比较Si的应变层和非应变区的傅里叶变换结果,片状的应变层产生形状效应,使得傅里叶变换图中斑点沿垂直于片状应变层方向拉长成线状。