本文關(guān)鍵詞：磁控共濺射制備農(nóng)機(jī)觸土部件材料表面耐磨復(fù)合涂層研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：摩擦磨損消耗了全世界一次能源的50%,各國(guó)因摩擦磨損問(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)損失頗為巨大。磨損也造成農(nóng)機(jī)觸土部件頻繁失效,達(dá)不到農(nóng)耕作業(yè)的要求,增加作業(yè)成本,甚至延誤農(nóng)時(shí),這是農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域目前亟待解決的問(wèn)題。目前,農(nóng)機(jī)行業(yè)得到推廣應(yīng)用的耐磨損技術(shù)主要是表面形變強(qiáng)化、表面淬火、表面元素?cái)U(kuò)散熱處理、表面噴涂、化學(xué)和物理氣相沉積等技術(shù),但大多的研究局限于的單純硬化方法,該方法對(duì)工作環(huán)境復(fù)雜的農(nóng)機(jī)觸土部件耐磨性改善效果有限,硬化后的含涂層的觸土部件依然存在耐沖擊、耐化學(xué)腐蝕性、抗?jié)B透性較差等缺點(diǎn)。為解決該問(wèn)題,設(shè)計(jì)兼具Ti Nx硬相和CFy軟相的復(fù)合涂層Ti Nx/CFy,復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)中的Ti Nx硬相直接承受載荷,CFy軟相起支撐硬相抗沖擊作用,CFy具備低的表面能,疏水作用明顯,降低粘著磨損、腐蝕磨損。針對(duì)上述目的展開(kāi)涂層的設(shè)計(jì)及制備、涂層制備工藝的摸索、涂層成分結(jié)構(gòu)的分析與涂層性能的研究。采用磁控共濺射方法在65Mn鋼的基底表面制備Ti Nx/CFy復(fù)合涂層,設(shè)計(jì)了Ti圓柱靶與磁控濺射PTFE靶材分置基材兩側(cè)協(xié)同放電的結(jié)構(gòu)。利用磁控濺射制備涂層均勻致密特點(diǎn),將PTFE設(shè)計(jì)為孿生圓柱磁控雙靶靶材,在濺射沉積涂層生長(zhǎng)過(guò)程成為軟相CFy;將Ti亦設(shè)計(jì)成圓柱磁控射頻濺射靶材,氛圍中通入反應(yīng)氮?dú)?在濺射沉積涂層生長(zhǎng)過(guò)程成為硬相Ti Nx,即耐磨涂層的高硬度抗磨主體。涂層沉積工藝主要控制參數(shù)為磁控共濺射功率比、偏壓源偏壓、沉積時(shí)間、氮?dú)夥謮�、旋轉(zhuǎn)速率等。研究表明,功率比為1、工作氣壓1.2Pa、N2氣分壓0.3Pa、旋轉(zhuǎn)速率2m/s、沉積時(shí)間60min、偏壓100V的條件下沉積的涂層有良好的硬度并在此時(shí)有較高的沉積速率。另外,掌握沉積設(shè)備的固有特性對(duì)良好涂層性能制備至關(guān)重要,對(duì)設(shè)備濺射模式研究發(fā)現(xiàn),靶軸向u向、寬度方向v向的沉積速率不均勻性可以忽略,基靶間距w對(duì)涂層沉積速率的影響較大,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的設(shè)備在基靶間距為8cm時(shí)有最大的沉積速率。利用質(zhì)譜原位診斷復(fù)合涂層制備過(guò)程中的等離子組分,對(duì)磁控共濺射制備Ti Nx/CFy復(fù)合涂層的檢測(cè)結(jié)果表明,真空等離子組分中存在中性粒子、自由基及離子,且中性粒子及自由基數(shù)量較大。隨輸入共濺射功率比的變化,等離子組分中的粒子構(gòu)成及含量顯著變化,進(jìn)而在基材表面沉積出不同成分結(jié)構(gòu)及性能的涂層;等離子組分的質(zhì)譜研究還表明復(fù)合涂層反應(yīng)路徑中Ti N*與CF*、CF2*(含離子、中性粒子及自由基)結(jié)合是主要的復(fù)合形式;磁控濺射制備Ti Nx存在明顯的滯后現(xiàn)象,存在金屬、過(guò)渡、化合三種狀態(tài),而共濺射制備Ti Nx/CFy復(fù)合涂層不存在滯后現(xiàn)象。通過(guò)多種測(cè)試技術(shù)對(duì)Ti Nx/CFy涂層結(jié)構(gòu)、耐磨性能、防腐性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明,涂層中存在主體硬相Ti Nx結(jié)構(gòu)與軟相CFy結(jié)構(gòu),C-N鍵的相間結(jié)構(gòu)是涂層復(fù)合及良好的各項(xiàng)性能保證;功率比是決定涂層硬度、潤(rùn)濕性能以及耐磨耐蝕性能最為重要的參數(shù),不同功率比制備的涂層中軟相CFy與硬相Ti Nx的比例不同,該比例通過(guò)體積分?jǐn)?shù)來(lái)表征,共濺射的輸入射頻功率比0.33—3之間,Ti Nx的體積分?jǐn)?shù)在0.72—0.12之間;功率比在0.33與3之間變化時(shí),復(fù)合涂層的硬度可調(diào)控在50HV與1500HV之間,接觸角在22.5°-105°之間變化;接觸角的增大是由于涂層結(jié)構(gòu)中含有適量的軟相 CF2和 CF3基團(tuán)。功率比影響涂層的組織均勻性,功率比減小,涂層粗糙度升高;考慮到涂層的硬度及耐磨性,功率比在0.33-1之間較為合適,此時(shí)Ti Nx相均勻分布在CFy涂層中,且Ti Nx相之間存在聯(lián)接,少有大的團(tuán)簇顆粒;沉積時(shí)間對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)及涂層內(nèi)各元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)影響不大。深度分析表明涂層生長(zhǎng)初始階段高分子鏈段碎片傾向于在初始階段更快的沉積,即靠近基材65Mn鋼的區(qū)域高分子鏈段碎片有優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)的趨勢(shì)。復(fù)合涂層的納米壓痕測(cè)試表明,功率比為1(體積分?jǐn)?shù)0.24:表明了軟硬相之間的合適比例)的涂層體現(xiàn)出良好的耐磨粒磨損能力,不容易出現(xiàn)犁溝;磨損體積測(cè)試表明在功率比為0.43(體積分?jǐn)?shù)0.43)、0.6(體積分?jǐn)?shù)0.31)、1(體積分?jǐn)?shù)0.24)的條件下制備的復(fù)合涂層Ti Nx/CFy有超低的磨損體積,可達(dá)到Al2O3增強(qiáng)的PTFE耐磨材料水平。
【關(guān)鍵詞】：Ti Nx/CFy復(fù)合涂層 磁控共濺射 耐磨損 耐腐蝕 農(nóng)機(jī)觸土部件
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4
【目錄】：

• 摘要10-12
• Abstract12-15
• 1 緒論15-27
• 1.1 課題研究的目的及意義15-16
• 1.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵觸土部件磨損及防護(hù)的研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵觸土部件的磨損16-17
• 1.2.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵觸土部件的耐磨損防護(hù)17-19
• 1.3 PTFE的摩擦與磨損特性19-20
• 1.4 填料或纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料及其磨損特性20-23
• 1.5 PTFE的濺射與共濺射23-24
• 1.6 本文的研究?jī)?nèi)容及方法24-26
• 1.6.1 本文的研究?jī)?nèi)容24-25
• 1.6.2 本文的研究路線25-26
• 1.7 本章小結(jié)26-27
• 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及表征分析方法27-39
• 2.1 復(fù)合涂層的設(shè)計(jì)27-30
• 2.1.1 復(fù)合涂層的功能設(shè)計(jì)要求及思路27-28
• 2.1.2 復(fù)合涂層的制備手段設(shè)計(jì)28-29
• 2.1.3 PTFE靶材的設(shè)計(jì)與制備29-30
• 2.2 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的試驗(yàn)制備流程30-31
• 2.2.1 沉積復(fù)合涂層設(shè)備30
• 2.2.2 復(fù)合涂層制備過(guò)程30-31
• 2.3 等離子狀態(tài)監(jiān)測(cè)的質(zhì)譜法31-33
• 2.4 TiN_x/CF_y涂層分析測(cè)試與表征方法33-38
• 2.4.1 復(fù)合涂層的形貌測(cè)試方法34
• 2.4.2 復(fù)合涂層組織成分及結(jié)構(gòu)表征方法34-35
• 2.4.3 涂層厚度的測(cè)量35
• 2.4.4 涂層密度測(cè)量的光纖光譜法35
• 2.4.5 硬度及耐磨損實(shí)驗(yàn)35-37
• 2.4.6 耐腐蝕性能測(cè)量37-38
• 2.5 本章小結(jié)38-39
• 3 涂層沉積過(guò)程中等離子狀態(tài)的檢測(cè)39-59
• 3.1 單獨(dú)濺射Ti靶材的等離子狀態(tài)的檢測(cè)39-43
• 3.1.1 等離子放電狀態(tài)中的離子檢測(cè)39-41
• 3.1.2 等離子放電狀態(tài)中的的中性粒子及自由基檢測(cè)41-43
• 3.2 反應(yīng)濺射制備TiN_x涂層等離子狀態(tài)的檢測(cè)43-51
• 3.2.1 磁控反應(yīng)濺射制備TiN_x涂層的滯后效應(yīng)43-44
• 3.2.2 制備TiN_x涂層的等離子放電狀態(tài)中的離子檢測(cè)44-48
• 3.2.3 制備TiN_x涂層等離子放電狀態(tài)中的中性粒子及自由基檢測(cè)48-51
• 3.3 單獨(dú)濺射PTFE靶材等離子狀態(tài)的檢測(cè)51-58
• 3.3.1 等離子放電狀態(tài)中的離子檢測(cè)51-56
• 3.3.2 等離子放電狀態(tài)中的自由基及中性粒子檢測(cè)56-58
• 3.4 本章小結(jié)58-59
• 4 磁控共濺射制備TiN_x/CF_y涂層的參數(shù)研究59-75
• 4.1 磁控共濺射沉積設(shè)備的濺射模式59-64
• 4.1.1 磁控濺射沉積設(shè)備的軸向均勻性59-61
• 4.1.2 磁控濺射沉積設(shè)備的寬度方向均勻性61-63
• 4.1.3 磁控濺射沉積設(shè)備的基靶間距及w向特性63-64
• 4.2 制備復(fù)合涂層的工藝參數(shù)研究64-74
• 4.2.1 靶材輸入功率的影響研究65-69
• 4.2.2 工作氣壓的影響69
• 4.2.3 N2分壓的影響69-71
• 4.2.4 旋轉(zhuǎn)速率的影響71-72
• 4.2.5 沉積時(shí)間的影響72-73
• 4.2.6 偏壓的影響73-74
• 4.3 本章小結(jié)74-75
• 5 TiNx/CF_y復(fù)合涂層的成分、結(jié)構(gòu)及形貌研究75-96
• 5.1 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的成分及結(jié)構(gòu)研究75-81
• 5.1.1 復(fù)合涂層成分的XPS分析75-80
• 5.1.2 復(fù)合涂層的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)研究80-81
• 5.2 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的的形貌研究81-84
• 5.2.1 TiN_x/CF_y涂層的TEM形貌82
• 5.2.2 TiN_x/CF_y涂層的表面形態(tài)82-84
• 5.3 旋轉(zhuǎn)速率對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的影響84-86
• 5.4 制備時(shí)間對(duì)復(fù)合涂層成分的影響研究86-92
• 5.4.1 不同制備時(shí)間對(duì)涂層成分的影響86-88
• 5.4.2 復(fù)合涂層的深度XPS刻蝕研究88-92
• 5.5 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)模型92-94
• 5.5.1 磁控共濺射過(guò)程中的質(zhì)譜檢測(cè)92
• 5.5.2 TiN_x/CF_y涂層的結(jié)構(gòu)模型92-94
• 5.6 本章小結(jié)94-96
• 6 磁控共濺射TiN_x/CF_y涂層的耐磨與耐腐蝕性能研究96-108
• 6.1 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的體積因子96-97
• 6.1.1 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的體積因子計(jì)算公式96-97
• 6.1.2 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的體積因子計(jì)算97
• 6.2 磁控共濺射TiN_x/CF_y涂層的耐磨損性能97-105
• 6.2.1 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的耐磨損性能的納米壓痕測(cè)試97-103
• 6.2.2 TiN_x/CF_y復(fù)合涂層的耐磨損性能的銷盤式磨損儀測(cè)試103-105
• 6.3 磁控共濺射TiN_x/CF_y涂層的耐腐蝕性能105-107
• 6.4 本章小結(jié)107-108
• 7 結(jié)論與展望108-110
• 7.1 結(jié)論108-109
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)109
• 7.3 展望109-110
• 致謝110-111
• 參考文獻(xiàn)111-119
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文119

【共引文獻(xiàn)】

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中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

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2 徐德生;任露泉;邱小明;苗耀新;;高頻釬焊WC/Cu仿生非光滑耐磨復(fù)合涂層的研究[A];農(nóng)業(yè)機(jī)械化與全面建設(shè)小康社會(huì)——中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)成立40周年慶典暨2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2003年

3 徐德生;任露泉;王萍;邱小明;;爐中釬焊WC/Cu非光滑耐磨復(fù)合涂層制備工藝及耐磨性研究[A];中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)成立40周年慶典暨2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2003年

4 徐德生;任露泉;邱小明;苗耀新;;高頻釬焊WC/Cu仿生非光滑耐磨復(fù)合涂層的研究[A];中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)成立40周年慶典暨2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2003年

5 程勝;任露泉;;仿生技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中應(yīng)用現(xiàn)狀[A];走中國(guó)特色農(nóng)業(yè)機(jī)械化道路——中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上冊(cè)）[C];2008年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前9條

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7 楊洪秀;活塞缸套系統(tǒng)仿生非光滑界面摩擦與潤(rùn)滑機(jī)理的研究[D];吉林大學(xué);2008年

8 徐照英;類金剛石（DLC）多層薄膜殘余應(yīng)力調(diào)控及其機(jī)械性能研究[D];西南交通大學(xué);2013年

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 苗艷偉;剛?cè)崆蛎娼佑|副關(guān)節(jié)軸承的摩擦誘導(dǎo)成膜機(jī)理研究[D];河南科技大學(xué);2014年

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