论文部分内容阅读
镁是结构材料中最轻的金属材料，镁合金具有高的比强度和比刚度、弹性模量低、减震性好、加工性能优良、尺寸稳定性好、磁屏蔽、原料丰富以及可回收等诸多优点，被认为是21世纪最具开发和应用前景的“绿色工程材料”，在汽车、计算机、航空、通讯、运动器械、手动工具和家用电器等领域具有十分广阔的应用前景。但是，镁合金也具有一些人们所不期望的特性，其中最突出的是其差的抗腐蚀和耐磨性能，阻碍了其在许多领域中的广泛应用。低劣的耐磨性，使镁合金作为结构材料迄今仍局限于用来制造静载零件。镁电极电位很低，在大多数介质中都不稳定，其抗腐蚀性十分低劣。腐蚀与磨损是材料的表面现象，因而更简便、更有效的提高镁合金耐磨和耐蚀性能的途径是进行表面处理。目前研究和应用得较多的表面处理方法主要有电镀、化学镀、阳极氧化、等离子微弧氧化、气相沉积、化学转化膜、有机涂覆等，这些表面处理技术对于镁及其合金都能起到一定的保护作用，但都有各自的局限性。针对镁合金表面处理技术的应用与发展现状，本文采用加弧辉光离子渗镀技术在镁合金AZ91D表面沉积TiN、CrN单层和TiN／CNr多层薄膜，以提高其耐磨、耐腐蚀性能。加弧辉光离子渗镀技术是太原理工大学表面工程研究所发明的一项新的表面涂层技术，其原理是在双层辉光等离子表面冶金装置中引入一个或多个冷阴极电弧源，利用辉光放电阴极溅射特点，使处理工件表面净化、活化，并使工件升温。引燃阴极电弧后，从金属阴极电弧源发射出高能量、高密度、高离化率的金属离子流，在工件负偏压的吸引下，快速沉积于工件表面。随着离子轰击进行，在工件表面可以形成渗层、镀层、渗镀结合层。同时通入高纯的氮气作为反应气体，可在工件表面形成氮化物陶瓷薄膜。加弧辉光离子渗镀技术具有如下特点：①渗镀速度快；②结合强度高；③涂层致密、均匀；④设备简单；⑤无污染。本文的研究内容有如下几个方面：（1）镁合金AZ91D表面沉积TiN、CrN单层和TiN／CNr多层薄膜工艺研究，探讨工艺参数对薄膜沉积的影响规律；（2）表面涂层的形貌、组织、成分、相结构等分析研究；（3） TiN、CrN单层和TiN／CrN多层薄膜力学性能分析研究；（4） AZ91D表面渗镀陶瓷薄膜试样的摩擦磨损行为及机理研究；（5） AZ91D表面渗镀陶瓷薄膜试样的电化学腐蚀性能及机理研究；经过系统的工艺试验，总结出了实验条件下AZ91D表面渗镀TiN、CrN单层和TiN／CNr多层薄膜的最佳渗镀工艺：沉积温度150～180℃，工作时间60～70min，工件到弧靶距离170～190mm，气压0.5Pa，N2和Ar的流量比为10：1，偏压150～200V，弧流20～25A，占空比20％。合适温度的是各种工艺参数确定最主要依据，试样表面的实际沉积温度必须低于AZ91D的热稳定温度—180℃，试样的大小与形状对其表面的实际沉积温度有显著的影响。针对具体的工艺条件，作者采用传热学分析的方法对沉积温度进行了修正。在最佳工艺条件下制备的TiN薄膜厚度达2.8μm，CrN薄膜的厚度达3.6μm，TiN／CrN多层膜的厚度达2.0μm。膜层致密、晶粒较均匀、表面粗糙度低，但仍发现少量针孔和金属液滴存在的痕迹。成分分析表明，在三种陶瓷膜与基体之间存在厚度达数个微米的Ti、Cr和N元素的梯度性过渡层，过渡层形成的主要机理是离子轰击下元素的增强扩散行为。过渡层的存在产生一定的“钉扎”效应，增加了薄／基结合力。按照ASTM D3359-78标准进行胶粘——剥离试验，三种薄膜都未发生剥离现象，薄／基结合强度均达到5B级以上。划痕试验方法测得TiN、CrN单层膜和TiN／CrN多层膜与基体的结合力分别为34N、32N和43N。从划痕形貌观察，TiN的划痕边沿崩块较多，表现出较大的脆性，而TiN／CrN多层膜则表现出了良好的韧性。采用显微硬度计测定渗镀层的硬度为：镀TiN试样HK0.011433；镀CrN试样HK0.011365；镀TiN／CrN多层膜试样：HK0.011463。但所测试得的硬度值受到基材变形的干扰，低于薄膜材料本身的实际硬度。采用纳米压痕试验测得TiN、CrN单层膜和TiN／CrN多层膜的硬度为17.2GPa、12.8GPa和26.9Gpa，杨氏弹性模量分别为455GPa、399GPa和423GPa。在室温及无润滑条件下的球盘式摩擦磨损试验表明，AZ91D基材的摩擦面呈现了明显的撕裂痕迹、擦伤和塑性流线，表现出了低劣的耐磨性能，磨痕宽度接近2mm，其磨损机制为粘着磨损；AZ91D表面镀TiN、CrN单层膜和TiN／CrN多层膜试样摩擦面呈现比较整齐的犁沟，磨损机制为磨粒磨损。AZ91D基材的平均摩擦系数约为0.28，渗镀TiN试样约为0.09，渗镀CrN试样约为0.13，渗镀TiN／CrN多层膜试样约为0.08。渗镀陶瓷薄膜试样的优异摩擦特性，可能与其表面因吸附而形成自生软质表面层有关。与未处理的AZ91D基体材料相比，表面镀TiN、CrN单层膜和TiN／CrN多层膜试样耐磨性提高了26～75倍，表明表面弧辉沉积氮化物陶瓷薄膜可有效改善镁合金AZ91D的耐磨性能。在3.5％NaCl溶液中的电化学腐蚀试验结果表明，镀TiN、CrN单层膜和TiN／CrN多层膜的自腐蚀电位分别比AZ91D基体提高90V、136V和206V，腐蚀速率则分别降低33.6％、45.2％、85.9％。5％NaCl溶液中性盐雾试验结果表明，镀TiN、CrN单层膜和TiN／CrN多层膜试样的耐盐雾腐蚀能力由AZ91D基材的4h分别提高至48h、52h和64h。AZ91D基材及其镀TiN、CrN单层膜和TiN／CrN多层膜试样的机理均为晶间腐蚀，AZ91D基材是直接的晶间腐蚀，而镀TiN、CrN薄膜和TiN／CrN多层膜后的腐蚀发生于膜层中的晶体缺陷处，是由于Cl-扩散渗入到涂层下基体表面而形成腐蚀原电池而致。Cl-的扩散所需时间与膜的厚度、致密度以及膜／基结合性能有关，尤其是与膜层中的贯通性针孔的大小与密度有直接的联系。镀TiN／CrN多层膜试样的多层界面结构贯通性孔隙少，因而更具抗腐蚀优势。系统的研究结果表明，在镁合金AZ91D表面弧辉渗镀陶瓷薄膜是提高其耐磨、耐蚀性能的切实有效的方法。其中，TiN／CrN多层膜的效果最显著。