不銹鋼表面多弧離子鍍氮化鈦及氮化鉻鈦的研究.pdf

1、TiN具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫等特殊優(yōu)勢(shì)。隨著工業(yè)的發(fā)展，硬質(zhì)薄膜向著性能更好的二元合金反應(yīng)膜、復(fù)合處理膜發(fā)展。
　　本研究利用多弧離子鍍技術(shù)，在4Cr13馬氏體不銹鋼基體(淬火+低溫回火，簡(jiǎn)稱4Cr13基體，下同)、201奧氏體不銹鋼基體(簡(jiǎn)稱201基體，下同)表面，沉積TiN、(Ti,Cr)N、PN+TiN涂層(離子氮化+TiN沉積)的工藝研究。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察TiN、(Ti,Cr)N涂層的表面和橫截面形貌以

2、及涂層與基體的界面和結(jié)合情況；利用能譜儀(EDS)分析涂層的化學(xué)成分；利用X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，并進(jìn)行晶格常數(shù)、殘余應(yīng)力和晶粒尺寸的計(jì)算；利用顯微硬度計(jì)檢測(cè)表面和涂層硬度及分布狀況；利用J-H模型計(jì)算膜層的本征硬度；利用M-200磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)；利用電化學(xué)測(cè)量?jī)x，對(duì)TiN、(Ti,Cr)N、PN+TiN涂層試樣和基體試樣在3.5％NaCl溶液、1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L H2SO4溶液中進(jìn)行電化

3、學(xué)腐蝕試驗(yàn)；利用鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，采取連續(xù)噴霧72 h，進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)；利用箱式爐進(jìn)行高溫抗氧化試驗(yàn)；利用熱分析法進(jìn)行TiN和(Ti,Cr)N涂層試樣的氧化動(dòng)力學(xué)研究；利用第一性原理進(jìn)行一些理論分析和探討。研究結(jié)果如下：
　　(1)4Cr13基體多弧離子鍍沉積TiN涂層的最佳工藝參數(shù)：弧電流75A，偏壓-200V，總氣壓0.8Pa，氬氮?dú)怏w比例1:8，基體溫度為300℃，沉積時(shí)間為60min。
　　(2)工藝參數(shù)的影響：隨著負(fù)偏

4、壓的增大，TiN涂層硬度增加，膜層表面大顆粒減少，但偏壓過(guò)大會(huì)出現(xiàn)凹坑；隨著弧電流的升高，涂層硬度和膜厚增加，但膜層表面液滴數(shù)目和尺寸隨之增加；隨著氮?dú)饬髁康脑龆?，涂層硬度先升后降，氬氮流量?:8時(shí)，硬度達(dá)到最大值，此時(shí)相結(jié)構(gòu)僅為TiN相，涂層顏色為金黃色。
　　(3)利用外推法精確計(jì)算TiN晶格常數(shù)為4.23199 nm；利用謝樂(lè)公式計(jì)算晶粒尺寸，負(fù)偏壓為-300V時(shí)晶粒直徑最小(12.450749 nm)。負(fù)偏壓能夠細(xì)化晶粒

5、，使材料硬化。
　　(4)性能測(cè)試表明：TiN試樣的耐磨性比4Cr13基體試樣的耐磨性能提高了1.6倍；負(fù)偏壓為﹣100 V制備的TiN試樣在1mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性比201基體提高了485倍；最佳工藝下制備的TiN涂層試樣在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性與4Cr13基體試樣相當(dāng)，在1mol/L NaOH溶液中TiN涂層試樣的耐蝕性不如4Cr13基體試樣，在1mol/L H2SO4溶液中耐腐蝕性比4Cr13基體試

6、樣提高800倍；4Cr13基體試樣經(jīng)過(guò)72小時(shí)鹽霧腐蝕后的單位面積失重量是TiN涂層試樣的25.6倍；經(jīng)過(guò)700℃48小時(shí)的恒溫氧化試驗(yàn)后，TiN涂層表面組織疏松，出現(xiàn)了明顯的氧化損傷；熱分析結(jié)果表明：TiN薄膜試樣的氧化熱力學(xué)平衡溫度為623.7℃。
　　(5)隨著鉻靶弧電流(ICr)的增加，(Ti1-xCrx)N涂層中的Cr含量增加，涂層的硬度值有先升后降。當(dāng)ICr=70 A時(shí)硬度達(dá)到最大值；ICr=60 A時(shí)，涂層為合金形式

7、的(Ti,Cr)N涂層，ICr繼續(xù)增大，出現(xiàn)CrN、Cr2N相；(Ti,Cr)N試樣的耐蝕性比4Cr13基體試樣有所提高；氧化實(shí)驗(yàn)表明：Cr含量越高，高溫抗氧化性越好；熱分析實(shí)驗(yàn)表明：Ti0.72Cr0.28N、Ti0.44Cr0.56N、Ti0.27Cr0.73N涂層的氧化熱力學(xué)溫度分別為950.1℃、962.2℃、969.4℃，均高于TiN涂層的623.7℃。Cr的加入使涂層的氧化熱力學(xué)平衡溫度有明顯提高，Cr含量增加，氧化平衡溫度

8、升高。
　　(6)(Ti1-xCrx)N涂層相比TiN涂層，膜層表面組織細(xì)密光滑，液滴較少。硬度有所提高。相同溫度下，(Ti1-xCrx)N的氧化增重小于TiN涂層，且Cr的含量越高，氧化增重就越小，高溫抗氧化性越好。
　　(7)構(gòu)建TiN超級(jí)晶胞，根據(jù)第一性原理、密度泛函理論等進(jìn)行理論計(jì)算分析，確定Cr原子、Ti原子、N原子和空位的相對(duì)位置。結(jié)構(gòu)表明：空位最可能位置是Cr原子的第二近鄰位置。
　　(8)201奧氏體不

9、銹鋼經(jīng)過(guò)離子氮化(520℃×6 h)，得到20μm滲氮擴(kuò)散層，顯微硬度1050HV0.05，由CrN、Ni3N、Fe3N、Fe7C3相組成。
　　(9)氮化后試樣進(jìn)行離子鍍，兩個(gè)強(qiáng)化層(厚1.8μmTiN涂層、氮化層)結(jié)合緊密。復(fù)合強(qiáng)化層由TiN、Ti、CrN、Ni3N、Fe3N、Fe7C3相組成，本征硬度2494.47HV；在1mol/L NaOH溶液和H2SO4溶液中復(fù)合處理試樣耐蝕性比201基體試樣分別提高了68.8、13.