高速钢表面磁过滤阴极弧TiN及TiC薄膜制备与性能研究

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在钛系化合物薄膜中,TiN、TiC涂层具有优良的力学性能,作为硬质耐磨涂层,已广泛应用于切削刀具、钻头和模具等场合。由它们构成的多层膜具有更优良的综合性能。此外,它们各自呈现的金黄色、灰黑色等金属光泽及良好的化学稳定性,使其在装饰及防护领域得以广泛的应用。  本文采用磁过滤真空阴极弧(FCVAD)的方法,在M2高速钢表面沉积TiN、TiC及Ti/TiN/TiCN/TiC四层复合膜,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度、摩擦磨损、划痕试验、球磨试验和电化学腐蚀等检测手段对薄膜的组织结构和性能进行了分析。考察了气体压强及分压比、基体偏压和过渡层沉积时间等参数对薄膜的成分及性能的影响。  结果表明,选用适当的参数,可在基体表面制备出色泽美观、表面光滑的薄膜,并使基体表面显微硬度显著提高。同时,薄膜具有较低的摩擦系数和良好的抗磨损性能。相对于基体,薄膜的耐腐蚀性能也得到了显著改善。  研究发现较高的N2分压比和-100V左右的直流偏压能沉积出性能较为优异的TiN薄膜,TiN生长方向为(111),其沉积速率能达到约0.16μm/min,显微硬度达到1192HV,摩擦系数由基体的1.0降低到0.7,具有较低的磨损率;而腐蚀电位由基体的-0.669V提高至-0.390V,腐蚀电流也由基体的70.50μA降低到2.97μA。而在偏压为-200V时薄膜结合力最大能达到26N。  较高的C2H2气压和脉冲偏压幅值能使沉积的TiC薄膜黑色加重,薄膜的沉积速率在C2H2气压为0.6Pa时达到0.12μm/min。随着脉冲偏压幅值在-100V~-450V范围内不断升高,薄膜的综合性能得以改善,最高显微硬度可达1420HV。当偏压幅值为-300V时,薄膜的膜基结合力达到22N,耐磨损性能优异;较低气压制得的薄膜腐蚀电位提高到-0.338V,耐腐蚀性能良好。  在Ti/TiN/TiCN/TiC多层复合膜中,随着TiN过渡层沉积时间的延长,制备的多层膜力学性能及耐腐蚀性都显著提高。当TiN层的沉积时间为24min时,薄膜的总厚度约为10μm,薄膜的摩擦系数降低至0.2,腐蚀电位也提高到-0.282V,腐蚀电流降低到0.46μA,膜基结合力达到45N。多层复合膜显示出了优异的综合力学性能和耐腐蚀性能。
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