金属Y、Cr-Y掺杂氮化钼薄膜的制备及其特性研究
发布时间：2020-05-27 20:03
【摘要】：氮化钼(Mo-N)薄膜具有良好的稳定性、高硬度、优异的耐磨性和耐腐蚀性,使其在切削和成型工具加工中起到硬质保护涂层的作用。本论文通过磁控共溅射技术成功的在Si(100)和A 304不锈钢衬底上制备了未掺杂和金属掺杂的Mo-N薄膜。利用X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),三维轮廓仪,能量色散X射线光谱仪(EDX),纳米压痕仪,摩擦磨损实验机表征了 Mo-N薄膜的结构、微观形貌、组成成分、机械性能和摩擦学性能。首先,利用射频磁控溅射技术在Si(100)衬底上成功制备了 γ-Mo2N(111)择优生长的Mo-N薄膜,薄膜结晶性良好,表面光滑平整,晶粒致密均匀,呈典型的Fcc面心立方结构。通过改变沉积参数,得到了最佳结晶质量的Mo-N薄膜,晶粒尺寸为25.67 nm,晶格常数为0.4172 nm,硬度达到25.07 GPa,摩擦系数和磨损率分别为 0.370 和 6.17 × 10-7 mm3/Nmm。其次,利用磁控共溅射技术制备了一系列不同Y含量的MoYN薄膜。与未掺杂的Mo-N薄膜相比,MoYN薄膜的择优生长取向由γ-Mo2N(111)变为γ-Mo2N(200)。当Y含量低于9.44 at.%时,MoYN薄膜的硬度保持在24 GPa左右。然而,当Y含量为14.81 at.%时,硬度直接降低到17GPa。这归因于Y原子嵌入到Mo-N薄膜的晶界处具有阻塞晶界滑动的作用。所以,在较低Y含量的MoYN薄膜的硬度并未随软质金属Y的引入而直接降低。MoYN薄膜的平均摩擦系数在Y含量为9.44 at.%时具有最小值为0.283,这归因于软质金属Y具有润滑作用。MoYN薄膜的磨损率在Y含量为9.44 at.%时的值为5.44 × 10-5 mm3/Nmm,与未掺杂的Mo-N薄膜相比,MoYN薄膜的磨损率高出两个数量级,这归因于在摩擦磨损过程中掺入到晶界的Y原子在磨损表面析出形成低剪切强度的氧化物。最后,希望通过硬质金属Cr和软质金属Y共掺杂的方式进一步提高Mo-N薄膜的机械性能和摩擦磨损性能。在Cr含量为4.44 at.%时,MoCrYN薄膜的硬度达到31 GPa,明显高于未掺杂的MoN薄膜。这归因于少量Cr原子取代Mo原子形成固溶强化的作用。MoCrYN薄膜的平均摩擦系数在Cr含量为4.44 at.%时具有最小值为0.344,这与MoCrYN薄膜自身机械性能的提高有关。根据Archard等式可知,MoCrYN薄膜的磨损率与硬度成反比。所以,在Cr含量为4.44 at.%时MoCrYN薄膜具有最低的磨损率为3.7×10-7 mm3/Nmm。由此可知,Cr-Y掺杂的MoCrYN薄膜的机械性能和摩擦学性能得到有效的改善。
【图文】：
有多种化学计量和晶格结构，例如：７－Ｍｏ２Ｎ（立方相），／３－Ｍｏ２Ｎ邋（正方晶相），，５逡逑－ＭｏＮ（六方相）。相对于７－Ｍｏ２Ｎ在耐磨损性、硬度、抗氧化逡逑性等方面具有不可替代的作用。立方相Ｍ0２Ｎ的晶体结构的示意图如图２．１所示：逡逑‘逦３邋Ｎ逡逑－ｆ逡逑Ｍ甚＃d阱义希翦澹у澹义贤迹玻保哄澹停铮尉褰峁故疽馔煎义希峰澹停铮玻伪∧さ木Ц癯Ｊ冢埃矗保常叮埃矗玻常板澹睿碇洌ナ簦疲停常湾澹ǎ玻玻担┛占溴义先海实湫偷模疲澹迕嫘牧⒎浇峁埂ｅ义希跺义
本文编号：2684064
【图文】：
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