氮化鉻鋁矽/氮化鎢奈米多層硬質薄膜之抗磨耗行為、微觀結構與熱穩定性研究

Tribological Behavior, Microstructure Evolution and Thermal Stability of CrN/W2N and CrAlSiN/W2N Multilayer Hard Coatings

蔡延佐(Yan-Zuo Tsai)

指導教授 ： 杜正恭

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/博士(2010年)

摘要

表面改質工程係在工具表面披覆上一層另類的材料，以達到提昇其機械性質、抗氧化、抗腐蝕與耐磨耗行為表現的新穎科技。近年來，由於氮化物硬質鍍膜具備了上述幾項優異的特性，已被廣泛使用在各種工業領域，諸如切削刀具保護層與手機、筆記型電腦等3C產品的裝飾鍍層等。本研究先選擇氮化鉻與氮化鎢兩種硬質鍍膜，藉由調變濺鍍擋板開關時間，製備出具不同層狀週期值之氮化鉻/氮化鎢奈米多層硬質薄膜。當層狀週期值控制在8奈米時，此一奈米多層薄膜的硬度可達到29.1 GPa，較原先二元氮化物薄膜有較優異的機械性質表現。由微結構觀察中可發現，氮化鉻/氮化鎢奈米多層膜較二元氮化鉻薄膜具有較緻密的結構，故在抗磨耗的研究中也具有較佳的表現。
然而，二元氮化鉻薄膜之微硬度僅有18GPa。為進一步提昇奈米多層膜之機械性質表現，本研究將鋁及矽兩種元素利用高溫熔煉的方式添加在鉻元素中，製備出鉻鋁矽三元合金濺鍍靶材，並利用此一合金靶材與金屬鎢靶材，以通入反應性氣體的方式製備出一新穎的氮化鉻鋁矽/氮化鎢奈米多層硬質薄膜。當層狀週期值調變到一適當值時，氮化鉻鋁矽/氮化鎢奈米多層薄膜之硬度最高可達到40 GPa，為一非常優異的高硬度表現。本研究並利用鍍製不同總厚度之多層膜與穿遂式電子顯微鏡微結構觀察探討奈米多層薄膜之成長機制。在經過800oC高溫48小時長時間真空熱處理後，氮化鉻鋁矽/氮化鎢多層薄膜仍舊維持其奈米層狀結構，並無層與層間交互擴散的現象發生，顯示出此一奈米多層膜具有相當傑出的熱穩定性表現。本研究並利用ball-on-disc與刮痕測試以探討具柱狀晶結構之氮化鉻鋁矽單層膜與具奈米層狀結構之氮化鉻鋁矽/氮化鎢多層薄膜兩者在受外在巨大壓力下變形後之薄膜破裂裂口成長機制。

關鍵字

磨耗 ； 濺鍍 ； 氮化物 ； 薄膜 ； 微結構

參考文獻

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