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电弧增强反应磁控溅射制备BCN薄膜的微观结构与摩擦学行为

陈向阳  马胜利  徐可为  
【摘要】:早期研究表明,碳氮薄膜(CN)争立方氮化硼薄膜(c-BN)具有高硬度和低摩擦系数等优异性能,在耐磨减摩表面改性领域应用潜力很大。但CN薄膜高于500℃后热稳定性变差,c-BN虽然热稳定性好,但薄膜制备过程中存在有较大的残余应力,在使用过程中容易早期剥离。这些不足限制了CN和c-BN薄膜的进一步广泛应用。随后研究者开始探索在c-BN薄膜中掺入硼形成BCN薄膜,以期通过成分和微结构优化,进一步改善薄膜的力学性能和应用效果。如Kurapov和Linss等人分别用等离子增强化学气相沉积和反应磁控溅射沉积方法制备了BCN薄膜,并对BCN薄膜的微观结构、硬度及残余应力进行了研究,发现制备的BCN薄膜具有硬度高,残余应力低等优良性能;进一步Ulrich等人在上述研究的基础上,通过引入Cr过渡层形成较高结合强度的BCN薄膜,并在实际模具表面强化中应用,取得了比TiN薄膜更好的使用效果,特别是发现BCN薄膜摩擦系数低、硬度高,具有良好的耐磨减摩性能。但是,由于BCN薄膜研究起步较晚,相关报道不多,许多问题尚不清楚,特别是不同工艺条件对制备BCN薄膜的微结构组态和摩擦学性能的影响需要进一步明晰。本文采用电弧增强反应磁控溅射方法(AEMS)在高速钢(W18Cr4V)和Si(100)基体上制备出具有耐磨减摩性能的BCN薄膜。用X射线衍射仪(xRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅立叶红外光谱(FTIR)研究了偏压和氮氩比对薄膜微观结构的影响;用显微硬度计和销盘式磨损仪测试了薄膜硬度和摩擦系数变化。结果表明:本文用AEMS方法制备的BCN薄膜主要为非晶结构,其中,B-N键含量随氮氩比增加而增加,而相同氮氩比条件下,偏压升高使sp~3B-N键含量增加。同时,B-N键含量增加使BCN薄膜摩擦系数扣硬度升高,薄膜磨损机制也发生改变。

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