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磁控溅射法制备BCN薄膜具有沉积速率高、成膜质量好等特点,尤其是成膜温度低,不影响基材的性能,所以很适用于金属表面改性。本文主要研究高速钢基体上用射频磁控溅射法制备BCN薄膜,同时研究了高速钢基体上BCN/TiN双层薄膜的制备及其性能。
本文采用h-BN、C为靶材,在以W18Cr4V为主的基材上制备了BCN单膜与BCN/TiN双层薄膜,通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、摩擦磨损以及划痕试验仪等手段系统研究了溅射工艺参数对薄膜形貌、结构和性能的影响。
研究结果表明:C靶采用直流溅射,功率100W;h-BN靶采用射频反应溅射,溅射功率200W、工作气压0.5Pa、沉积时间120min、氮气和氩气流量分别为20sccm、60sccm、靶基距60mm的条件下,获得的BCN薄膜表面平整致密,晶粒大小均匀,性能最佳。在优化工艺条件下制备的BCN薄膜经过570℃退火,薄膜表面质量好,结晶程度高。
BCN薄膜表层XRD分析表明,制备薄膜中含有C3N4,BN,(BN)0.26C0.74的存在。退火对BCN薄膜的结构影响明显,薄膜由非晶态转化为晶态,并具备更高的耐磨性和附着力。FFIR结果显示所制备的薄膜中在810cm-1,1180cm-1,1401.cm-1,1528cm-1,2258cm-1,位置处存在5个明显的红外吸收带。810cm-1的吸收峰归因于B-N-B的弯曲振动,1180cm-1处的吸收峰归因于B-C的弯曲振动,1401cm-1处的吸收峰归因于B-N的弯曲振动,1528cm-1处的吸收峰归因于C=N的弯曲振动,2258cm-1处的吸收峰归因于C-N的弯曲振动说明薄膜中有C-N,C-B,B-N的化合键存在,而三元B-C-N不明显。
摩擦磨损试验结果显示,无论是单层BCN薄膜还是双层BCN/TiN薄膜都具有优良的减摩性能。基材摩擦系数约为0.5,沉积BCN薄膜后摩擦系数骤减至0.11左右,膜的结合力为14N左右。结合力测试结果显示,双层膜的结合力约为28N。渗硼对薄膜形貌改变较大,使薄膜发生晶化,膜层中B元素比例上升。检测出最优工艺下的薄膜厚度为2.788μm。硬度为11.9GPa,硬度与弹性模量比值(H/E)为0.9546。