导　　师： 匡同春

授予学位： 硕士

作　　者： (）;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 随着现代制造业的快速发展,模具的工况（冲击载荷、摩擦磨损和腐蚀等）日趋恶劣,对模具的综合性能和使用寿命提出了更高的要求。始于模具表面的失效与损伤很大程度上缩短了模具的寿命,因此,除了改善模具原材料之外,采用表面强化技术提高模具表面硬度和耐磨性等,从而延长其使用寿命也十分重要。先进等离子体渗氮、磁控溅射技术的创新研发可为高端精密模具提质延寿提供可选的解决方案。在涂层选择与设计上,基于低氮W系涂层兼具硬度高、附着性好、摩擦学和耐蚀性能优异等优点,作为最具潜力的硬质涂层之一,有望打破目前工模具表面仍以Ti系、Cr系涂层为主的现状。本文主要在H13钢上探讨了离子轰击预处理对电弧等离子体辅助渗氮层组织与性能的影响,并系统研究了磁控溅射（高功率脉冲磁控溅射（简称HiPIMS）、直流磁控溅射（简称DCMS））技术可控制备低氮W（N）纳米结构涂层,重点探究:（1）离子轰击预处理对渗氮层组织结构与性能的影响规律;（2）探究N掺杂、占空比对磁控溅射制备W（N）纳米结构涂层结构与性能的影响规律。H13钢采用电弧等离子体辅助渗氮技术制得渗氮层的相结构主要由?-Fe和?-Fe3N组成;渗氮层厚度随着离子轰击预处理时间的增加而增加,化合物层厚度范围1.01.5μm,扩散层厚度范围12.321.8μm;渗氮速率高达22.8μm/h;离子轰击90 min时渗氮层中N含量高达10.29 wt.%;渗氮层的脆性等级均为一级;渗氮层的自腐蚀电流密度均比H13钢基体的小了一个数量级,显著改善了钢基体的耐蚀性能;渗氮层的摩擦系数范围0.680.75（对磨球Si3N4）,均小于钢基体的摩擦系数（0.76）;渗氮层的磨损率均比钢基体的小,显著改善了钢基体的耐磨性。氮掺杂HiPIMS W（N）纳米结构涂层、氮掺杂DCMS W（N）纳米结构涂层的原子比分别为W95.95N4.05、W94.54N5.46,HiPIMS纯W纳米结构涂层中有少量O的存在;三种涂层的物相均为?-W相,其中氮掺杂HiPIMS W（N）纳米结构涂层、HiPIMS纯W纳米结构涂层、氮掺杂DCMS W（N）纳米结构涂层中?-W相择优取向晶面分别为（222）、（110）、（211）。三种涂层晶粒平均尺寸均在纳米量级（4.421.5 nm）,氮掺杂HiPIMS W（N）纳米结构涂层晶粒尺寸低至4.4 nm;氮掺杂DCMS W（N）纳米结构涂层、HiPIMS纯W纳米结构涂层、氮掺杂HiPIMS W（N）纳米结构涂层沉积速率分别为2.6、0.8、0.6μm/h,氮掺杂HiPIMS W（N）纳米结构涂层硬度高达29.73 GPa,且其韧性最好,结合力54 N。氮掺杂DCMS W（N）纳米结构涂层的结合力大于100 N;三种涂层的摩擦系数范围0.440.53（对磨球Si3N4）,磨损率均比H13钢基体的小;氮掺杂HiPIMS W（N）纳米结构涂层的磨损率低至9.4×10-16 m3/N?m,耐磨性最好;三种涂层的自腐蚀电流密度均比H13钢基体的自腐蚀电流密度小了一个数量级,耐蚀性均比钢基体好。H13钢表面采用HiPIMS技术、调控占空比（2.9%、3.8%、5.8%）沉积涂层的表面形貌均呈韧窝状,均由bcc结构?-W相组成,且均呈（222）面择优取向。随着脉冲占空比增大,涂层厚度增大,沉积速率加快,占空比5.8%时涂层的沉积速率高达1.0μm/h;涂层晶粒平均尺寸逐渐减小,均在纳米量级（4.34.5 nm）;涂层的硬度和弹性模量均呈增大趋势,占空比5.8%时涂层硬度高达31.11 GPa;涂层与基体的结合力范围3854 N,占空比3.8%时涂层结合力达54 N;三种涂层的摩擦系数范围0.330.44（对磨球Si3N4）,且涂层磨损率均比H13钢基体的小,占空比5.8%时涂层的磨损率低至4.8×10-16 m3/N?m,耐磨性最好;涂层磨损机制主要为氧化磨损和粘着磨损,伴随着少量的磨粒磨损。涂层的耐蚀性能较H13钢基体有了明显改善。更多还原

关 键 词： [9206150]磁控溅射 W(N)纳米结构涂层 电弧等离子体辅助渗氮 耐蚀性 摩擦磨损

分 类 号： [TG174.4]

领　　域： []