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研究生:李文斌
研究生(外文):Lee wen pin
論文名稱:反應濺鍍氮化鉻之磨潤特性研究
論文名稱(外文):The Study of Tribology Properties of CrN Coatings Synthesized by Reactive Sputtering Process
指導教授:馬廣仁簡錫新簡錫新引用關係
指導教授(外文):Ma Kuang JenChien Hsi Hsin
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:機械與航太工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:非平衡反應濺鍍磨潤特性氮化鉻
外文關鍵詞:Unbalanced Reactive SputteringChromium NitrideTribological Properties
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本研究以非平衡反應濺鍍的方式將氮化鉻(CrN)薄膜鍍在M42的基材上,並探討基材偏壓及鉻(Cr)與氮(N)成份比,對薄膜顯微組織、機械性質與磨潤特性的影響。
研究結果顯示,當基材偏壓值小於60V時,薄膜的緻密性、韌性與耐磨耗特性都獲得改善,這是因為偏壓加強原子間碰撞,改善薄膜的沉積密度所致。當基材偏壓值大於60V時,原子間的碰撞過於劇烈,反而導致薄膜品質變差,使得氮化鉻薄膜的脆性與磨耗率增加。
鉻/氮比例在50~60%時,有較好的機械性質與磨潤特性;當鉻/氮比例超過60%時,會產生較高的殘留應力,這是由於鉻、氮無法形成完全的氮化鉻化合物薄膜,造成結構產生缺陷,使得氮化鉻薄膜的摩擦係數與磨耗率增加。
The aim of this study is to deposit chromium nitride (CrN) thin film by using unbalanced reactive sputtering method on M42 substrate and the effect of bias and the composition ratio of Cr/N on microstructure, mechanical and tribological properties of thin films was investigated.
The experimental results reveal that density, toughness and wear resistance of thin films were improved as the bias is smaller than 60 V. This can be attributed to the ion bombardment effects which enhance the deposition density of thin films. When the applied bias is higher than 60 V, it will cause severe atomic collision and deteriorate the film quality, which increases the brittleness of the CrN film and wear rate.
The satisfactory mechanical and tribological properties of CrN film were found at a composition ratio of Cr/N in the range of 50~60%. As the composition ratio of Cr/N is over 60% which will lead to a higher residual stress due to the formation of incomplete stoichiometry CrN compounds and structural defects and result in an increase of the friction coefficient and wear rate of CrN films.
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表錄 Ⅶ
圖錄 Ⅷ
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 薄膜沉積的方法 3
2.1.1 化學氣相沉積法 3
2.1.2 物理氣相沉積 4
2.2濺鍍原理 5
2.3 磁控濺鍍的原理 6
2.4 成份控制對鍍膜的影響 8
2.5 基材施加偏壓對結構的影響 9
2.6 薄膜厚度的量測 11
2.7 磨潤學的發展與應用 12
2.7.1 磨潤學的歷史及研究 12
2.7.2 磨潤學中的摩擦 13
2.7.3磨潤學中的磨耗 16
2.8 薄膜工程設計原理 17
2.9 薄膜機械性能評估 18
2.9.1 壓痕硬度測試(Indentation hardness Test)原理與應用 18
2.9.2 刮痕測試(Scratch Test)原理與應用 21
2.10 氮化鉻(CrN)薄膜的研究與應用 27
第三章 實驗設備與步驟 32
3.1實驗流程圖 32
3.2 實驗規劃 33
3.3 實驗基材之準備 33
3.4 實驗設備 34
3.4.1 鍍膜設備 34
3.4.2 薄膜厚度量測儀器 37
3.4.3 微壓痕硬度試驗機 38
3.4.4 刮痕試驗機 39
3.4.5 磨耗試驗機 40
3.4.6 鑽石切割機 40
3.4.7 超音波清洗機 41
3.4.8 高解析場發射電子顯微鏡 41
3.5 實驗方法及步驟 42
第四章 結果與討論 45
4.1 基材偏壓對薄膜結構與性能的影響 45
4.1.1 薄膜厚度的變化 45
4.1.2 薄膜硬度、韌性及與基材間結合強度的變化 46
4.1.3薄膜磨耗測試的結果 52
4.1.4不同基材偏壓對薄膜微結構的影響 55
4.2 OEM對薄膜結構與性能的影響 59
4.2.1薄膜厚度的變化 59
4.2.2 薄膜硬度、韌性及與基材間結合強度的變化 60
4.2.3薄膜磨耗測試的結果 65
4.2.4不同OEM對薄膜微結構的影響 68
第五章 結論 72
第六章 參考文獻 74
圖 錄
圖2.1 化學氣相沉積示意圖 4
圖2.2 濺鍍原理示意圖 6
圖2.3 磁控濺鍍示意圖 7
圖2.4 磁控濺鍍、非平衡磁控濺鍍及閉合場磁控濺鍍原理圖 8
圖2.5 OEM原理示意圖 9
圖2.6 改變OEM後,硬度值、臨界負載的變化 9
圖2.7 基材偏壓與離子電流密度之間的關係圖 10
圖2.8 改變偏壓後,硬度值、臨界負載的變化 11
圖2.9 Ball Crater量測原理 12
圖2.10 基材硬度與摩擦力之間的關係 15
圖2.11 材料發生塑性變形及彈性變形的情況 16
圖2.12 因黏著磨耗(Adhesive wear)所產生的表面破壞 17
圖2.13 設計薄膜時的步驟 18
圖2.14 薄膜經壓痕測試後可能發生的二種狀況:(a)理想狀況(b實際狀況 20
圖2.15 壓痕表面形貌的等級區分 20
圖2.16 刮痕測試方法的種類 21
圖2.17 刮痕測試時的參數 22
圖2.18 刮痕測試後溝槽截面的示意圖 23
圖2.19 圓錐形刮痕器對承載面績的影響 23
圖2.20 刮痕測試的要素 24
圖2.21 刮痕測試破壞的等級區分 26
圖2.22 銑刀未經鍍膜與經氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)鍍膜後的測試結果 28
圖2.23 刀具未經鍍膜與經氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)鍍膜後的
測試結果 29
圖2.24 未經鍍膜與經氮化鉻鍍膜之模具擠製鋁棒產量的比較 29
圖2.25 基材偏壓與刮痕測試之臨界負載關係圖 30
圖2.26 TEM下,基材偏壓-30V與-100V時的晶粒大小 30
圖2.27 不同偏壓與銑削長度及切面磨耗的比較 31
圖2.28 在銑削60m後,氮化鉻、氮化鋁鈦及未鍍膜的SEM圖 31
圖3.1 實驗流程圖 32
圖3.2 鍍膜設備之真空腔體 35
圖3.3 鍍膜參數之控制器 35
圖3.4 UDP550非平衡磁控濺鍍設備 36
圖3.5 UDP550工作原理示意圖 36
圖3.6 Ball Crater設備 37
圖3.7 基材利用鉻鋼球磨凹坑示意圖 38
圖3.8 壓痕試驗機 38
圖3.9 ST3001刮痕試驗機 39
圖3.10 ST3001刮痕器 39
圖3.11 磨耗試驗機(Pin-on-Disc) 40
圖3.12 鑽石切割機 41
圖3.13 超音波清洗機 41
圖3.14 高解析場發射電子顯微鏡 42
圖4.1 不同偏壓對膜厚的影響 46
圖4.2 不同基材偏壓對硬度的影響 46
圖4.3 不同基材偏壓維氏硬度測試結果(OEM60%)f1 47
圖4.4 不同基材偏壓維氏硬度測試結果(OEM60%)f3 47
圖4.5 不同基材偏壓Rockwell C壓痕結果(OEM60%)f1 48
圖4.6 不同基材偏壓Rockwell C壓痕結果(OEM60%)f3 48
圖4.7 不同基材偏壓的刮痕測試結果(OEM60%)f1 49
圖4.8 不同基材偏壓下,荷重與摩擦力之間的關係(OEM60%) f1 50
圖4.9 不同基材偏壓的刮痕測試結果(OEM60%)f3 51
圖4.10 不同基材偏壓下,荷重與摩擦力之間的關係(OEM60%) f3 51
圖4.11 不同偏壓值之磨耗測試結果(OEM60%)f1 52
圖4.12 不同偏壓值之磨耗測試結果(OEM60%)f3 53
圖4.13 不同基材偏壓對摩擦係數的影響 54
圖4.14 不同基材偏壓對磨耗量的影響 55
圖4.15 不同基材偏壓對磨耗深度的影響 55
圖4.16 不同偏壓下薄膜的顯微組織(OEM60%)f1 56
圖4.17 不同偏壓下薄膜的顯微組織(OEM60%)f3 57
圖4.18 不同偏壓下薄膜經磨耗測試後的顯微觀察(OEM60%)f1 58
圖4.19 不同偏壓下薄膜經磨耗測試後的顯微觀(OEM60%)f3 59
圖4.20 不同OEM對薄膜厚度的影響 60
圖4.21 不同OEM對硬度的影響 60
圖4.22 不同OEM維氏硬度測試結果(Bias -60V)f1 61
圖4.23 不同OEM維氏硬度測試結果(Bias -60V)f3 61
圖4.24 不同OEM對Rockwell C壓痕結果(Bias -60V)f1 61
圖4.25 不同OEM對Rockwell C壓痕結果(Bias -60V)f3 62
圖4.26 不同OEM之刮痕測試結果(Bias -60V)f1 63
圖4.27 不同OEM下,荷重與摩擦力之間的關係(Bias -60V)f1 63
圖4.28 不同OEM之刮痕測試結果(Bias -60V)f3 64
圖4.29 不同OEM下,荷重與摩擦力之間的關係(Bias -60V)f3 65
圖4.30 不同OEM之磨耗測試結果(Bias -60V)f1 66
圖4.31 不同OEM之磨耗測試結果(Bias -60V)f3 66
圖4.32 不同OEM對摩擦係數的影響 67
圖4.33 不同OEM對磨耗量的影響 68
圖4.34 不同OEM對磨耗深度的影響 68
圖4.35 不同OEM下薄膜的顯微組織(Bias -60V)f1 69
圖4.36 不同OEM下薄膜的顯微組織(Bias -60V)f3 69
圖4.37 不同OEM下薄膜經磨耗測試後的顯微觀察(Bias -60V)f1 70
圖4.38 不同OEM下薄膜經磨耗測試後的顯微觀察(Bias -60V)f3 70
圖4.39 不同鋼球材質的顯微觀察(a)鉻鋼球(b)鎢鋼球 71
表 錄
表2.1 經刮痕測試後判斷溝槽變形程度的各項參數 23
表3.1 M42高速鋼之化學成份含量(wt%) 33
表3.2 氮化鉻(CrN)薄膜的製作過程 44
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