不同氮含量BCN薄膜的微观结构与摩擦学行为.pdf

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1、第43卷第8期稀有金属材料与工程Vb1．43．No．82014釜8月RAREMETALMATERIALSANDENGINEER／NGAugust2014不同氮含量BCN薄膜的微观结构与摩擦学行为陈向阳，张瑾，马胜利2，胡海霞(1．安徽理工大学，安徽淮南232001)(2．西安交通大学，陕西西安7100491摘要：用电弧增强反应磁控溅射方法(AEMS)在高速钢(W18Cr4V)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)、高分辨透射电镜(HRTEM)和x射线光电子能谱(XPS

2、)研究了氮含量对薄膜微观结构的影响；用显微硬度计和销盘式摩擦磨损仪研究了薄膜硬度和摩擦学行为。结果表明：用AEMS方法制备的BCN薄膜为非晶结构，薄膜中的B-N键的含量随氮含量增加而增加：薄膜中氮含量的增加使薄膜的硬度和摩擦系数升高，磨损率降低。关键词：AEMS；BCN薄膜；微观结构；硬度：摩擦系数中图法分类号：TG174．44文献标识码：A文章编号：1002．185X(2014)08．1886—04早期研究表明，碳氮薄膜(C)[1。]和立方氮化硼薄列BCN薄膜，重点研究了氮含量对薄膜微观结构、

3、硬膜(c—BN)[4】具有高硬度和低摩擦系数等优异性能，在耐度及摩擦学性能的影响。磨减摩表面改性领域应用潜力很大。但CN薄膜在高于1实验500℃后热稳定性变差【1】，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[5]，在使用过程用课题组自主开发的电弧增强反应磁控溅射中容易早期剥离。这些不足限制了CNx和c．BN薄膜的(AEMS)技术沉积BCN薄膜，沉积设备采用电弧放进一步广泛应用。电以进一步提高气体的离化率，获得高浓度的等离子随后研究者开始探索在CN和c．BN薄膜中分别掺体，增强

4、膜基结合强度。沉积真空室内有效空间直径入硼、碳元素，形成BCN薄膜，以期通过成分和微结550mm，高450mm，真空室内装有加热装置，用热构优化，改善薄膜的力学性能和应用效果[6】。如电偶测量试样温度，试样作为阴极，靶材与真空室炉Kurapovat7】和Linss[8]等人分别用等离子增强化学气相体相连作为阳极，沉积过程中试样均匀转动以提高沉沉积和反应磁控溅射沉积方法制备了BCN薄膜，并对积薄膜的均匀性。沉积所用溅射靶为高温烧结的BCBCN薄膜的微观结构、硬度及残余应力进行了研究，靶和石墨靶。基

5、体为高速钢(W18Cr4V1和(1oo1Si单发现制备的BCN薄膜具有硬度高，残余应力低等优良晶片，装炉前先将基体用丙酮超声清洗，沉积前在性能；进一步Ulrich[9]等人在上述研究的基础上，通过一1000V偏压下溅射清洗30min，沉积过程中基体偏引入Cr过渡层形成较高结合强度的BCN薄膜，并在压为一150V，沉积温度为230℃，氩气流量控制在20实际模具表面强化中应用，取得了比TiN薄膜更好的mL／min，B4C靶功率3kW，石墨靶功率1kW，通过使用效果，特别是发现BCN薄膜摩擦系数低、硬

6、度高，调节N2／Ar流量比(0．1-0．4)来改变薄膜中的氮含量，具有良好的耐磨减摩性能。但是，由于BCN薄膜研究薄膜沉积时间120min，膜层厚度约2．4“m。起步较晚，相关报道不多，许多问题尚不清楚，特别是用D／max一3CX射线衍射仪(XRD)表征薄膜的物不同工艺条件对制备BCN薄膜的微结构组态和摩擦学相结构，以Cu的Kct为X射线源，管压40kV，管电性能的影响需要进一步明晰，以便为实际应用提供实验流20mA；用JEM2100F高分辨透射电镜(HRTEM)指导。表征薄膜的微观结构，点分辨

7、率0．19nm，晶格分辨率本工作采用电弧增强反应磁控溅射方法制备了系0．14nm；用AXISULTRA型x射线光电子能谱(xPs)，收稿日期：2013-08．11基金项目：国家自然科学基金资助(50671079)作者简介：陈向阳，男，1979年生，博士，讲师，安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001，电话：0554—6633021，E·mailcxy7911@126．tom·1888·稀有金属材料与工程第43卷意‘8g0吕专NitrogenContent／at％图6不同氮含量BCN薄膜的摩

8、擦系数Fig．6FrictioncoefficientofBCNthinfilmswithdiferentnitrogencontents羔增加，薄膜的摩擦系数逐渐由0．25增加到0．30左右，氮含量的增加导致薄膜的摩擦系数略有升高。分析认为，BCN薄膜的摩擦系数随薄膜中氮含量的升高而升BindingEnergy／eV高是由薄膜中碳含量降低所导致的自润滑相含量的减图4不同氮含量BCN薄膜的Bls的XPS图谱少引起的【l⋯。Fig．4B1SXPSofBCNthinfilmswithnitrogen