● 摘要
TiN涂层是二十世纪八十年代以来发展最快的一种硬质薄膜，在机械加工行业获得了广泛的应用。多弧离子镀由于沉积温度低、残余应力小，离化率高等特点，是目前PVD沉积方法里应用最为广泛的沉积技术。离子注入技术不受热力学平衡条件的限制，能够在表面形成细小晶体相。因此有望通过离子注入优化多弧离子镀TiN薄膜的性能。本文研究了特种透射电镜薄膜截面试样的制备方法，成功观察到CrN/TiAlN纳米多层膜结构，并且积累了较好的实验方法和工艺参数。实验首先采用多弧离子镀方法在硬质合金基体沉积TiN薄膜，然后通过离子注入Mo以及Mo+C对TiN薄膜进行表面改性。采用透射电子显微分析(TEM)方法观察TiN薄膜在离子注入前后微观结构的变化。采用维氏硬度计测量TiN薄膜的硬度。由于离子注入的作用，在TiN薄膜50nm区域内形成纳米纤维结构。纳米纤维丛排列整齐，结构完整，长度较长，均匀弥散在TiN晶体中。由于离子注入过程中能量传递的影响，在距离表面深度为50~150nm的区域，也能够产生TiN纳米纤维，但长度较短，排列基本规则。能谱分析显示，注入能量为80keV的Mo离子注入TiN薄膜表面内的注入投影射程为50nm左右，由于级联碰撞，使得离子注入的影响区域远大于投影射程；新生成的纳米纤维丛为富Mo相，Mo含量为17~25%。Mo+C二元注入的表面强化效果优于Mo一元注入，较高剂量的Mo+C注入条件下，TiN薄膜表面显微硬度更高。采用SRV试验机研究了TiN薄膜在离子注入前后耐磨性的变化。TiN薄膜在离子注入改性后，磨损失重量减少，双注入Mo+C的改性效果优于单注入Mo；在30N载荷下，未注入TiN薄膜大约100s即被磨穿，单注入Co后的磨穿所需时间明显延长，而采用单注入Mo、双注入Mo+C、Co+C改性的TiN薄膜均未被磨穿。TiN薄膜采用Mo+C双注入后的摩擦系数小于单注入Mo的摩擦系数；而双注入Co+C后的摩擦系数却大于单注入Co的摩擦系数。离子注入Mo的TiN薄膜的磨损机理为磨粒磨损，而离子注入Co的TiN薄膜的磨损机理为粘着磨损。