化学气相沉积氮化钒涂层的基础研究

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当今科技的迅猛发展,材料的切削加工在制造行业的地位越发重要,而刀具在其中又扮演着最重要的角色,刀具性能的好坏直接影响到切削效率、加工成本等实际问题。传统硬质合金刀具已经不能满足当代发展要求,因此,现如今性能优异的新型材料涂层刀具的研发变得尤为迫切。本论文一方面是研究以V2O5、H2、N2为原材料,利用化学气相沉积技术,在T12钢锯表面化学气相沉积氮化钒涂层。对影响化学气相沉积氮化钒涂层的主要工艺参数,进行正交试验,制备出不同工艺参数条件下的氮化钒涂层试样,对这些试样进行表征及性能测试,得出以下结论:(1)观察SEM照片发现,氮化钒涂层试样的表面分散着微小孔洞,孔径在几百纳米左右,呈网状结构。(2)在衍射峰图谱中,只出现了α-Fe峰和VN峰,没有其它的杂质峰出现,表明所制备的VN涂层试样的纯度比较高,α-Fe峰的出现是基体T12钢的影响。VN微晶平均尺寸为34.36nm。(3)制备的氮化钒涂层试样中,除1#试样最薄平均厚度为12.60μm,其次是2#试样为15.77μm,其它试样平均厚度在20μm左右。通过正交分析,得到薄涂层的较优参数组合为:预保温5min、沉积温度900℃、沉积时间30min;得到厚涂层的较优参数组合为:预保温15min、沉积温度1100℃、沉积时间90min。(4)测试氮化钒涂层试样的膜基结合力,得到临界荷载Lcn值。1#试样膜基结合强度最低为9.1N,5#试样临界荷载Lcn值最大为27.2N。要制得膜基结合强度高的VN涂层,通过正交分析,选择较优参数组合,参数组合为:预保温10min、沉积温度1000℃、沉积时间90min。(5)测试氮化钒涂层试样的粗糙度。1#、2#、3#试样的粗糙度Ra值都小于2μm,其余VN涂层试样的粗糙度Ra值都在2μm以上,6#试样粗糙度Ra值最大为3.28μm。要得到较小粗糙度的VN涂层,通过正交分析,选择较优参数组合,参数组合为:预保温5min、沉积温度900℃、沉积时间60min。(6)测试氮化钒涂层试样的摩擦系数。制备的VN涂层试样平均摩擦系数在0.3~0.5之间。要得到相对摩擦系数较高的VN涂层,通过正交分析,选择较优参数组合,参数组合为:预保温15min、沉积温度900℃、沉积时间60min。(7)测试氮化钒涂层试样的磨损量。1#、2#、3#试样的磨损体积都在0.05mm3以上,磨损量很大,4#、5#、6#试样的磨损体积有所减少,在0.05mm3~0.03mm3范围之间,7#、8#、9#试样的磨损体积较少,不超过0.02mm3。要制得磨损量低,耐磨性好的VN涂层,通过正交分析,选择较优参数组合,参数组合为:预保温15min、沉积温度1000℃、沉积时间90min。(8)把VN涂层试样放入3.5%氯化钠水溶液中浸泡72h,研究其腐蚀行为。1#试样减重量为2.5mg,腐蚀得最为严重,其次是2#试样,减重量为1.8mg,其余的减重量都在1.5mg以下。要制得耐腐蚀性较好的VN涂层,通过正交分析,选择较优参数组合,参数组合为:预保温10min、沉积温度1100℃、沉积时间90min。另一方面是从热力学计算分析和沉积速率方面,简要论述了化学气相沉积氮化钒涂层的沉积机理。得出以下结论:(1)在943K~1600K温度范围内,V2O5(g)+5H2(g)+N2(g)=2VN(s)+5H2O(g)标准反应Δ GθT<0,Δ GθT随着温度T的升高而升高,这表明温度过高,不利于反应的进行。(2)化学气相沉积VN涂层过程中,反应温度不同,沉积速率不同,在高温区(1000℃以上)属于气相扩散控制,而在低温区(1000℃以下)沉积速率属于表面反应过程控制。在相同的反应温度条件下,试样与V2O5的距离不同,沉积速率也不相同。
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