Cấu trúc và tính chất của màng mỏng TiCN được điều chế bởi mục tiêu than chì và mục tiêu titan

Cấu trúc và tính chất của màng mỏng TiCN được điều chế bằng phương pháp phún xạ mục tiêu và titan

Các màng mỏng TiCN được điều chế trên đế thép tốc độ cao M2 bằng cách bắn mục tiêu than chì và mục tiêu titan trong môi trường hỗn hợp nitơ và argon. Cấu trúc và cấu trúc của màng mỏng TiCN được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét và nhiễu xạ kế tia X. Độ cứng của màng mỏng TiCN được kiểm tra bằng dụng cụ thụt nano. Trong khi đó, sự kết hợp giữa màng mỏng TiCN và ma trận được đánh giá bằng phương pháp thụt và phương pháp cào. Kết quả cho thấy các nguyên tử C trong màng mỏng TiCN tồn tại dưới dạng dung dịch rắn trong mạng TiN, định hướng của màng mỏng TiCN trên (111 ) bề mặt tinh thể rõ ràng yếu hơn so với màng mỏng TiN, vết nứt của màng mỏng TiCN là cấu trúc khối dài, kích thước ngang của nó nhỏ hơn màng mỏng TiN, và bề mặt màng mỏng TiCN lõm và lồi. Lực liên kết giữa màng mỏng TiCN và ma trận khoảng 40N, và nguyên tử C có tác dụng tăng cường dung dịch rắn và tăng cường tinh thể mịn trong màng mỏng TiCN. Độ cứng của màng mỏng TiCN tăng từ 20,3 màng TiN lên 33,4GPa. Phim TiCN có hiệu suất chống ma sát tốt và tuổi thọ của vòi TiCN được cải thiện đáng kể khi khai thác vật liệu 40Cr so với vòi phim TiN và vòi không tráng.

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ cắt hiện đại đã đưa ra các yêu cầu cao hơn đối với vật liệu và tính chất của dụng cụ cắt. Một trong những cách khả thi để cải thiện hiệu suất của công cụ là đặt màng cứng lên bề mặt dụng cụ . Màng cứng TiN, TiC, TiCN và TiAlN là sự xuất hiện sớm của một số lớp bảo vệ bề mặt dụng cụ, vẫn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực màng bảo vệ cơ học. Màng mỏng TiCN được sử dụng rộng rãi trong các dụng cụ cắt, khuôn và các bộ phận chịu mài mòn do độ cứng cao và hệ số ma sát thấp. Màng mỏng chủ yếu được điều chế bằng lắng đọng hơi, bao gồm lắng đọng hơi hóa học (CVD) và lắng đọng hơi vật lý (PVD). Quá trình CVD của màng mỏng được điều chế bởi nhiệt độ lò trên 850oC, thường là kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ trung bình (MT - CVD), nhiệt độ làm việc của nó là khoảng 600oC, nói chung vượt ra ngoài khuôn thép và các bộ phận của nhiệt độ ủ, vì vậy phương pháp không phù hợp cho lớp phủ trên nền thép. PVD của màng mỏng được điều chế bởi nhiệt độ làm việc dưới 500oC, có thể đáp ứng yêu cầu của lớp phủ bề mặt thép.

Hiện nay, hầu hết các phương pháp PVD sử dụng CH4 hoặc C2H2 làm nguồn C để chuẩn bị màng mỏng TiCN. Trong quá trình chuẩn bị, có thể thu được màng mỏng TiCN với tỷ lệ thành phần nguyên tố khác nhau và tính chất khác nhau bằng cách điều chỉnh tỷ lệ lưu lượng khí. Tuy nhiên, vấn đề với phương pháp này là khí nguồn carbon quá mức sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng đến cấu trúc bên trong của lớp phủ Thân lò máy và lớp lỏng carbon còn lại trong thành lò sẽ được giải phóng trong lớp phủ tiếp theo, cản trở không khí lắng đọng của màng, không có lợi cho sản xuất liên tục và thường dẫn đến hiệu suất không ổn định của phôi phim trong sản xuất công nghiệp.

Sử dụng nguồn C rắn để chuẩn bị màng TiCN có thể làm giảm đáng kể hoặc tránh sự ô nhiễm của thân lò. Phản xạ phún xạ phản ứng là một trong những công nghệ chính của phương pháp PVD. Bề mặt phủ được chuẩn bị bằng phương pháp này không có hiện tượng hạt lớn, nhưng có chất lượng bề mặt tốt, và có thể được sử dụng để chuẩn bị màng mỏng TiCN trên ma trận thép. Guojun Zhang và cộng sự. chuẩn bị màng TiCN dưới bầu không khí hỗn hợp của nitơ và argon bằng cách phun ra mục tiêu than chì và mục tiêu titan. Họ chỉ ra rằng với sự gia tăng công suất phún xạ và hiệu quả lắng đọng của mục tiêu than chì, tổng độ dày và chu kỳ điều chế của các màng thu được trong cùng một thời gian tăng lên. Với sự gia tăng sức mạnh mục tiêu phún xạ, cấu trúc của màng mỏng TiCN đã thay đổi và hướng mặt phẳng tinh thể (111) và (220) dần dần suy yếu. Độ cứng của màng mỏng TiCN trước tiên tăng và sau đó giảm và độ cứng cao của z * đạt hơn 40GPa. Hệ số ma sát của màng mỏng TiCN giảm khi tăng công suất phún xạ của mục tiêu than chì và z * vẫn ở mức 0,2.Xu junhua et al. chuẩn bị màng mỏng TiCN với nguồn carbon rắn bằng công nghệ phún xạ từ. Ảnh hưởng của công suất mục tiêu phún xạ than chì thu được trong nghiên cứu này về cấu trúc và độ cứng của màng mỏng TiCN về cơ bản phù hợp với dòng điện phun than chì. Tuy nhiên, mạng công nghệ chân không (http://www.chvacuum.com/) tin rằng không có báo cáo nghiên cứu nào ở trên đã phát hiện ra thành phần của màng mỏng TiCN. Không rõ về hàm lượng carbon trong màng mỏng TiCN được điều chế bằng cách sử dụng các nguồn carbon rắn và cường độ liên kết giữa màng mỏng và ma trận TiCN chưa được phân tích.

Bài báo này sử dụng nghiên cứu và phát triển máy quét phún xạ phản ứng tần số trung bình RZP - 800, sử dụng mục tiêu than chì làm nguồn carbon, thay vì CH4 hoặc C2H2, trong hỗn hợp khí nitơ và argon thông qua quá trình phun màng TiCN của mục tiêu than chì và mục tiêu titan, và phương pháp chuẩn bị để thu được thành phần, cấu trúc, độ cứng và độ bền liên kết của màng TiCN được phân tích và nghiên cứu, đồng thời được nghiên cứu bằng phương pháp trong ứng dụng thực tế của màng TiCN lắng đọng trên bề mặt thép tốc độ cao gõ.

1. Phương pháp thí nghiệm

1.1 vật liệu và công nghệ chuẩn bị phim

Lựa chọn thép tốc độ cao M2 làm vật liệu nền, kích thước mẫu là 6 mm x 10 mm x 6 mm và chuẩn bị cùng một loại vải số spec 10 mm, được sử dụng để thử nghiệm cắt. Mục tiêu phún xạ là một cặp mục tiêu titan (độ tinh khiết 99,99%) và một cặp mục tiêu than chì (độ tinh khiết 99,99%) và hai mục tiêu (4 mục tiêu) được bố trí xen kẽ và thống nhất trên tường lớp phủ. Trước khi phủ, bề mặt của mẫu được đánh bóng để loại bỏ các vết xước vĩ mô có thể nhìn thấy bằng mắt thường và đánh bóng lên bề mặt gương. Sau đó, vòi và mẫu được phun cát với nhau để loại bỏ ô nhiễm trong lớp bề mặt. Sau khi làm sạch siêu âm, mẫu được sấy khô và được đưa vào lò. Sơ đồ đến 9.0 10-3 Pa, làm nóng phôi trong 60 phút, sau đó sử dụng hiệu ứng bắn phá ion argon để khắc và làm sạch chất nền trong 30 phút dưới độ lệch âm .Để cải thiện cường độ liên kết giữa màng và ma trận, các khối kim loại Ti trong nồi nấu kim loại bay hơi đặt một lớp của lớp chuyển tiếp kim loại Ti trên ma trận. Sau khi z *, ở áp suất 4,5 10-1 Pa, than chì phun ra mục tiêu và mục tiêu titan đã được sử dụng để chuẩn bị màng mỏng TiCN trong 3 giờ. Lớp phủ được làm mát trong 1h và các mẫu được lấy ra .

1.2 cấu trúc và đặc tính hiệu suất của màng mỏng

Cấu trúc gãy và hình thái bề mặt của màng mỏng TiCN được quan sát bởi s-4800 (Hitachi, Nhật Bản) SEM và nội dung nguyên tố của phim được phân tích bằng nhiễu xạ tia X của EDS.X 'Pert Pro (Philips, Hà Lan) (XRD ) đã được sử dụng để phân tích thành phần pha và kích thước hạt của lớp phủ. Hệ thống kiểm tra XP Indenter XP (Agilent, Mỹ) được sử dụng để phân tích độ cứng và mô đun đàn hồi của lớp phủ. Trong khi đó, phương pháp thụt và phương pháp vết xước được sử dụng để đánh giá sức mạnh liên kết giữa bộ phim và ma trận. Máy đo độ cứng rockr Hr-150a được sử dụng cho phương pháp thụt đầu dòng và tải trọng là 150kg. Phương pháp cào thông qua máy kiểm tra vết xước hh-3000 và tải trọng là 100N. Máy khoan đứng Z5135 được sử dụng để kiểm tra cắt của vòi. Tốc độ trục chính của máy khoan là 530r / phút, vật liệu khai thác là thép được tôi luyện và luyện thép 40Cr, và độ cứng của tôi và tôi luyện là HRC29 ~ 32.

2, kết luận

Sử dụng nguồn carbon rắn, mục tiêu than chì và mục tiêu titan đã được đồng hóa bằng công nghệ phún xạ từ phản ứng để chuẩn bị màng mỏng TiCN trên đế thép tốc độ cao. Cấu trúc và tính chất của màng mỏng TiCN thu được đã được phân tích một cách có hệ thống và kết luận như sau:

(1) sự đứt gãy của màng mỏng TiCN thể hiện cấu trúc khối dài phát triển vuông góc với giao diện. Cấu trúc lồi trên bề mặt của màng mỏng TiCN yếu hơn so với màng mỏng TiN, trong khi có nhiều hạt vi mô trên bề mặt màng mỏng TiCN. Màng mỏng TiCN tạo thành dung dịch rắn dựa trên TiN. Việc bổ sung nguyên tử C làm giảm đáng kể đỉnh nhiễu xạ của màng mỏng trên bề mặt tinh thể (111).

(2) do tăng cường dung dịch rắn và tăng cường tinh thể mịn của nguyên tử C, độ cứng của màng TiCN được cải thiện đáng kể so với màng TiN và độ cứng của màng TiCN là 33,4GPa. Sau khi lớp chuyển tiếp Ti được sử dụng làm chất nền, cường độ liên kết giữa màng TiCN và màng TiN và lớp nền thép tốc độ cao M2 không khác biệt đáng kể, cả hai đều khoảng 40N.

(3) dạng mài mòn của màng TiCN chủ yếu là mài mòn, tạo thành màng chuyển carbon trên bề mặt màng trong quá trình ma sát và mài mòn. Bộ phim đóng vai trò bôi trơn và chống ma sát. Tuổi thọ của vòi TiCN được cải thiện đáng kể khi chạm vào vật liệu 40Cr, cao gấp 3 lần so với vòi không màng và cao hơn 1,6 lần so với vòi phim TiN.

IKS PVD, máy tráng phủ, liên hệ: iks.pvd@foxmail.com