發(fā)布時(shí)間：2018-02-22 21:17

  本文關(guān)鍵詞： 碳化硼薄膜 磁控濺射 機(jī)械性能 摩擦學(xué)性能　出處：《蘭州交通大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：碳化硼薄膜具有硬度高、耐磨性好和摩擦系數(shù)低等特點(diǎn),是一種很有潛力的齒輪表面防護(hù)材料,有望成為一種新型固體潤滑薄膜,在表面工程領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。磁控濺射沉積技術(shù)是一種常見的物理氣相沉積方法,因其操作工藝簡單、沉積薄膜速度較快、基底材料溫度較低、制備的薄膜結(jié)合強(qiáng)度較好、薄膜的結(jié)構(gòu)致密而均勻、內(nèi)應(yīng)力低等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于薄膜材料的制備。本論文采用閉合場非平衡直流磁控濺射技術(shù),通過調(diào)整基底負(fù)偏壓、石墨靶電流和碳化硼靶電流等工藝參數(shù),在38CrMoAl齒輪鋼表面制備碳化硼薄膜,并利用SEM(Scanning electron microscope,掃描電子顯微鏡)、TEM(Transmission electron microscopy,透射電子顯微鏡)、AFM(Atomic force microscopy,原子力顯微鏡)、XPS(X-ray photoelectron spectroscopy,X射線光電子能譜)、XRD(X-ray diffraction,X射線衍射)、Raman(Raman spectroscopy,拉曼光譜)、納米壓入儀和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等對碳化硼薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究,探索出了具有良好機(jī)械性能和優(yōu)異摩擦學(xué)性能非晶碳化硼薄膜的制備工藝,并對最佳工藝參數(shù)制備的非晶碳基碳化硼薄膜同目前已經(jīng)大量投入市場應(yīng)用的商業(yè)化生產(chǎn)的類金剛石薄膜進(jìn)行了對比研究。得到的主要結(jié)論如下:(1)基底負(fù)偏壓對碳化硼薄膜的機(jī)械性能影響很大,隨著偏壓的增大,薄膜的顯微硬度、彈性模量、膜基結(jié)合力出現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律,薄膜內(nèi)應(yīng)力則是先減小后增大的;而基底負(fù)偏壓對碳化硼薄膜的摩擦學(xué)性能影響不大。(2)共濺射碳化硼靶材和石墨靶材能夠顯著增加薄膜的厚度,優(yōu)化碳化硼薄膜的結(jié)構(gòu)和性能,尤其能夠提高其摩擦學(xué)性能。(3)碳靶電流為3.5A,碳化硼靶電流為0.5A時(shí)制備的BCx/a-C薄膜呈柱狀結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu)致密且為非晶態(tài),并且具有良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,其膜基結(jié)合力、顯微硬度和彈性模量分別可達(dá)60N、15.7GPa和195GPa,穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)低至0.05,磨損率低至5×10-8mm-3N-1m-1。(4)通過高溫下在潤滑油中浸泡和循環(huán)熱震實(shí)驗(yàn)表明BCx/a-C薄膜具有良好的熱震穩(wěn)定性,而干摩擦條件下的啟停實(shí)驗(yàn)反應(yīng)了薄膜的啟�？煽啃杂写岣�,主要原因是薄膜的厚度較小。(5)通過比較研究發(fā)現(xiàn),BCx/a-C薄膜較Cr/a-C薄膜具有更好的機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能,尤其在高溫環(huán)境下BCx/a-C薄膜表現(xiàn)出了更優(yōu)異的耐磨性能。
[Abstract]:Because of its high hardness, good wear resistance and low friction coefficient, boron carbide film is a potential material for gear surface protection and is expected to become a new type of solid lubrication film. Magnetron sputtering deposition is a common physical vapor deposition method, because of its simple operation, fast deposition speed and low substrate temperature. The thin films are widely used in the preparation of thin films due to their good bonding strength, compact and uniform structure, low internal stress, etc. In this paper, the closed field nonequilibrium DC magnetron sputtering technique is used. Boron carbide film was prepared on the surface of 38CrMoAl gear steel by adjusting the technological parameters such as negative bias voltage of substrate, graphite target current and boron carbide target current. SEM(Scanning electron microscope, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscopy( TEM), atomic force microscope (AFEM), X-ray photoelectron specular X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy (Raman spectroscopy), nano-pressure injector, friction and wear tester, etc. Microstructure of boron carbide films, The preparation process of amorphous boron carbide thin films with good mechanical properties and excellent tribological properties has been investigated by studying the mechanical and tribological properties. The results of comparison between the amorphous carbon based boron carbide thin films and the commercial diamond films which have been widely used in the market have been carried out. The main conclusions are as follows: 1) negative bias voltage on the substrate. The mechanical properties of boron carbide film are very important. With the increase of the bias voltage, the microhardness, elastic modulus and adhesion of the film increase first and then decrease, and the internal stress of the film decreases first and then increases. The negative bias voltage on the substrate has little effect on the tribological properties of boron carbide films. (2) Co-sputtering boron carbide targets and graphite targets can significantly increase the thickness of the films, and optimize the structure and properties of the boron carbide films. In particular, the tribological properties of the BCx/a-C thin films were improved when the carbon target current was 3.5A and the boron carbide target current was 0.5A. The BCx/a-C thin films had columnar structure, compact microstructure and amorphous state, and had good mechanical properties and excellent tribological properties. The adhesion strength, microhardness and elastic modulus of the film can reach 60Nm 15.7 GPA and 195GPA, respectively. The friction coefficient is as low as 0.05 and the wear rate is as low as 5 脳 10-8mm-3N-1m-1.4. the results of immersion in lubricating oil at high temperature and cyclic thermal shock test show that the BCx/a-C film has good thermal shock stability. The start-up and stop experiments under dry friction conditions show that the reliability of the films needs to be improved, the main reason is that the thickness of the films is smaller than that of the BCxa-C thin films. The results show that the BCx / a-C films have better mechanical and tribological properties than the Cr/a-C thin films. Especially in the high temperature environment, BCx/a-C film shows better wear resistance.
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ128;TB383.2

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：1525330