高速钢刀具镀TiN膜的研究.doc

目录 引言 1 1 综述 2 1.1 TiN薄膜 2 1.1.1 TiN薄膜研究与应用 2 1.1.2影响TiN薄膜微观结构和性能因素 2 1.2 TiN薄膜制备技术 2 1.2.1多弧离子镀膜技术的发展及应用 2 1.2.2多弧离子镀工作系统 3 1.2.3多弧离子镀膜的基本原理 3 1.2.4多弧离子镀膜的工艺参数 3 2 多弧离子镀TiN薄膜的制备 4 2.1实验材料 4 2.2实验过程 5 2.2.1高速钢纺织刀片的清理 5 2.2.2实验步骤 5 3 实验结果及分析 6 3.1 TiN镀膜表面及断面形貌观察 6 3.1.1设备：扫描电子显微镜（SEM） 6 3.1.2形貌观察 6 3.2高速钢镀TiN刀片硬度分析 7 3.2.1维氏硬度（HV）测试法 7 3.3高速钢镀TiN抗磨损性能分析 7 3.3.1抗磨损性能测试原理 7 3.3.2摩擦系数实验数据及分析 8 3.3.3磨损量的实验数据及分析 9 3.4高速钢镀TiN抗腐蚀性能分析 9 3.4.1电化学腐蚀测试原理 9 3.4.2实验数据及分析 10 3.5高速钢镀TiN膜基结合力分析 11 3.5.1划痕法测膜基结合力 11 3.5.2实验数据及分析 12 结束语： 12 致谢 13 参考文献 13  引言 近二十年来，表面工程技术获得了迅猛发展，各种功能薄膜在生产中应用日益广泛。薄膜材料以其许多独特性能额微观结构和物理、化学性能引起了人们的极大关注，正被广泛应用于工业生产和科学技术的各个领域。材料表面性能的改造是应用最多的，气相沉积技术便是近年来发展最快的一些表面处理新工艺，是提高材料使用性能和寿命的有效途径，气相沉积技术用于强化基体表面、延长刀具使用寿命最早出现在1968年，主要指将陶瓷材料如TiC、TiN等沉积在工件表面，达到显著改善工件服役性能的目的。近年来，TiN薄膜的研究日趋成熟，不管是给工件的表面装饰或提高工件表面一些使用性能，镀TiN薄膜技术在工业生产中是不可或缺的。 本文采用多弧离子镀技术在高速钢纺织刀片上沉积TiN薄膜，涉及到镀膜设备的研究及应用，然后进行TiN薄膜摩擦磨损实验，电化学抗腐蚀性能实验，薄膜组织形貌观察，膜基结合力实验，并进一步研究镀膜工艺参数对TiN膜质量的影响。 1 综述 1.1 TiN薄膜 TiN 薄膜属于第Ⅳ族过渡金属氮化物，NaCl面心立方晶体结构类型。它的结构是由金属键和共价键混合而成， 同时具有金属晶体和共价晶体的特点：高熔点、高硬度、优异的热和化学惰性，优良的导电性和金属的反射比。此外，TiN 薄膜还具有高温强度、优越的耐腐蚀性能以及良好的导热性能。 1.1.1 TiN薄膜研究与应用 TiN 薄膜具有广阔的应用前景，在刀具、模具、装饰材料和集成电路中都具有重要的应用价值和广阔的应用前景，因而越来越受到人们的重视。随着对TiN 薄膜研究的深入，制备TiN 薄膜的工艺也得到不断地发展，对TiN 薄膜也提出了更均匀、更耐磨、更耐腐蚀和更高可靠性的性能要求。 1.1.2影响TiN薄膜微观结构和性能因素 基体偏压 对TiN 薄膜沉积速率有影响，沉积速率随着偏压的升高而降低。 对TiN薄膜微观结构有影响，基底偏压较小时，镀膜表面比较粗糙，当偏压增大时，表面均匀，薄膜表面较均匀平整。 对薄膜力学性能有影响，随着偏压的增大，薄膜的硬度值也随之增加。 氮分压 随着氮分压的减少，薄膜表面的薄膜颗粒逐渐减少。随着氮分压的增加，薄膜的硬度逐渐增加。薄膜的内应力和薄膜与基底的结合力却逐渐下降。 1.2TiN薄膜制备技术 1.2.1多弧离子镀膜技术的发展及应用 多弧离子镀技术是离子镀技术的一种改进方法，它是把弧光放电作为金属蒸发源的表面涂层技术，由于多弧离子镀技术具有镀膜速度高，膜层的致密度大，膜的附着力好等特点，使多弧离子镀镀层在工具、模具的超硬镀膜、装饰镀膜等领域的应用越来越广泛，并占据了越来越重要的地位。 1.2.2多弧离子镀工作系统 真空室、阴极弧源、基片、负偏压电源、真空系统、测温系统、供气系统 1.2.3多弧离子镀膜的基本原理 多弧离子镀采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，蒸发物是从阴极弧光辉点放出的阴极物质的离子 图1-1多弧离子镀工艺原理 1—阴极弧源（靶材）；2，3—进气口；4—真空系统；5—基底；6—偏压电源 1.2.4多弧离子镀膜的工艺参数 工作电流 靶源电流与弧斑的数目成正比关系，随着电弧电流的增加阴极斑点的数目增加，而且大电流工作可以使阴极靶源的蒸发速率提高，沉积速率增大反应气体分压的大小直接影响薄膜的化学成分、组织结构及性能，是镀膜工艺中较为重要的参数之一提高氮分压，有明显细化和减少颗粒的效果。气压过低，反应不完全。气压过大，溅射增强，反而不能形成表面质量较好和厚度达到要求的膜层，所以