【摘要】：“十三五規(guī)劃”明確提出推動硬質(zhì)合金切削材料制造向涂層刀片、精密切削工具方向發(fā)展�；赪Nx涂層的優(yōu)異性能,以及WNx涂層在硬質(zhì)合金表面的高附著性,本文采用直流磁控濺射技術(shù),在半精加工刀片用材K20硬質(zhì)合金表面制備WNx納米涂層,探究基體偏壓、沉積溫度、氣體流量比三個關(guān)鍵工藝參數(shù)對涂層成分,顯微結(jié)構(gòu)及力學性能的影響。重點研究WNx涂層的摩擦磨損性能,探究涂層在不同載荷及轉(zhuǎn)速下的摩擦學性能差異。研究結(jié)果表明,基體偏壓對WNx納米涂層性能影響較大,不同基體偏壓下制備的WNx涂層表面均為顆粒狀,表面粗糙度在基體偏壓為200 V時達到最大值0.065μm,略高于空白基體粗糙度。WNx涂層主要物相均為bcc-W相,基體偏壓通過影響等離子體轟擊能量,影響氮元素在涂層中的存在形式�；w偏壓較低時,氮元素更多以W-N化合物的形式存在,基體偏壓較高時,氮元素更多以固溶或自由粒子形式存在。涂層均由細小的柱狀晶組成,晶粒尺寸7~20 nm,沉積速率為1.94~2.04μm/h,基體偏壓對晶粒尺寸和沉積速率影響較小。涂層制備過程中樣品架旋轉(zhuǎn)導致涂層橫截面呈層狀,層厚約為15 nm。涂層均表現(xiàn)為殘余壓應力,涂層硬度在基體偏壓為-200 V時達到最大值27.07GPa。涂層膜基結(jié)合強度在95.69 N~105.94 N之間,沉積在K20硬質(zhì)合金表面的WNx納米涂層附著性能優(yōu)異。WNx涂層與Si_3N_4對磨球?qū)δr摩擦系數(shù)低至0.3~0.4,磨損率也保持在2.26×10~(-16) m~3/N?m以下;與440C對磨球?qū)δr摩擦系數(shù)升至0.66~0.75,磨損率也相對提高。TEM結(jié)果表明,WNx涂層在摩擦磨損過程中會在涂層表面形成一層幾十納米厚的變形層,變形層中晶粒破碎,晶格畸變嚴重,氮元素逸出,導致對磨球直接與低氮,甚至無氮的變形層對磨。沉積溫度通過影響等離子體能量和沉積在基體上粒子的擴散能力影響WNx納米涂層性能。鑒于低溫下(~450℃)磁控濺射技術(shù)制備WNx涂層的研究較多,在本文主要探究高溫段(450℃~550℃),溫度對WNx涂層性能的影響。該沉積溫度范圍內(nèi),溫度對WNx涂層性能的影響整體來說較小。WNx涂層晶粒尺寸、殘余應力和耐磨性受溫度影響較明顯,隨著沉積溫度增高,涂層晶粒尺寸增大,殘余應力則隨之減小。由于相組成和殘余應力等因素的影響,隨著沉積溫度升高,WNx涂層磨損率下降,即耐磨性提高。氮氬流量比對涂層成分、相結(jié)構(gòu)、硬度及摩擦學性能等都有較大影響。在氮氬流量比為40:120 sccm時得到膜基結(jié)合力最大值111.80 N。氮氬流量比為80:80 sccm時,涂層主相結(jié)構(gòu)為fcc-W_2N,此時涂層硬度最小19.12 GPa。摩擦磨損實驗結(jié)果表明,該氣體流量比下涂層磨損軌道中心未出現(xiàn)明顯的氮損失,同時涂層耐磨性最好,磨損率僅為1.99×10~(-16) m~3/N?m。
【圖文】：

為了獲得更高性能的鎢基涂層，目前部分課i 等元素，專注于研究多元鎢基氮化涂層。天津大學量的 WCN 涂層，硬度值最高達 36.7 GPa，碳元素抗高溫氧化性[20]。該課題組同時向 WNx 摻雜 Si 元顯微結(jié)構(gòu)和摩擦性能，WSiN 涂層硬度同樣可達 3N 涂層的耐蝕性[21]。此外，還有研究人員將關(guān)注點放比如 CrN/WN[22]、ZrN/WN[23]等。盡管多元鎢基氮度、耐磨性及抗高溫氧化性能，但若要充分發(fā)揮鎢基制備與研究非常有必要。目前，研究 WNx 二元涂層大學、廣島大學[25]、吉林大學、江蘇大學等少數(shù)課WNx 涂層的制備工藝與涂層性能之間的關(guān)系、WN統(tǒng)全面的研究。族金屬鎢與氮的化合物，，其二元相圖如圖 1-2 所示

膨脹系數(shù)不同造成的熱應力（thermal stress,應力時，硬質(zhì)薄膜中的拉應力由晶界收縮產(chǎn)生過離子轟擊釋放，薄膜生長過程中晶粒長大，拉厚度。因此，在偏壓條件下沉積的多晶薄膜存表面是壓縮應力[42]。有研究表明[43,44]，殘余應重要影響，對裂紋的萌生和擴展也有很大作量涂層殘余應力是常見的方法。若涂層較厚，但 PVD 涂層厚度通常只有幾個微米甚至達弱，同時會有基體材料的衍射峰的干擾。對于用多晶面應力分析方式，即以掠入射的方式測入射角 ω 固定，不同衍射峰的 2 角不同，則相同，即得到不同衍射峰時傾轉(zhuǎn)角 ψ 也各不晶面間距的變化量和傾轉(zhuǎn)角來計算得到涂層殘
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4

【參考文獻】

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本文編號：2604754