硬质合金表面BCN薄膜的制备及性能研究

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磁控溅射技术因其具有较高的沉积率速率和较好的成膜质量而成为薄膜制备的重要手段之一,被广泛应用于特殊功能材料薄膜及材料改性等诸多领域。硼碳氮(BCN)作为一种新兴的人工合成三元材料,其优良的力学性能使其应用在许多工业领域。   本文采用h-BN、石墨为靶材,在硬质合金YG8的基材上制备了BCN单膜与BCN/TiN双层薄膜,借助扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、FTIR红外光谱仪、摩擦磨损以及划痕试验仪等手段,系统研究了溅射工艺参数对薄膜形貌、结构和性能的影响。   表面形貌观察表明:石墨靶采用直流溅射,功率100W;h-BN靶采用射频反应溅射,溅射功率100W;在工作气压1.0Pa、沉积时间120min、氮气和氩气流量分别为20sccm、60sccm、靶基距70mm的条件下,获得的BCN薄膜表面较平整致密,性能较好。在优化工艺条件下制备的BCN薄膜经过570℃退火后,薄膜发生了一定的晶型转变。薄膜厚度约为2.78μm。   BCN薄膜XRD分析表明,磁控溅射制备的薄膜为非晶态,薄膜经过退火后出现了BN结构的六方相的存在。FTIR结果显示薄膜中含有sp2C=N键和sp3C-N键的吸收叠加峰,同时也含有B-C,B-C-N六角环特征峰的存在。   摩擦磨损试验结果显示,无论是单层BCN薄膜还是BCN/TiN双层薄膜都具有良好的摩擦性能。沉积BCN薄膜后摩擦系数相比于基材的0.5降低了0.15,BCN/TiN双层薄膜摩擦系数与单膜相比进一步降低了0.1。结合力测试结果显示,单层膜的结合力约为20N。由于增加了TiN中间层,结合力增加至25N。纳米硬度检测表明BCN/TiN双层薄膜硬度可达25.311GPa。
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