1、3N4 纳米涂层的性能分析 Si3N4 纳米涂 摘要：本文采用 PCVD 法在 4Cr13 不锈钢基体上沉淀 Si 纳米陶瓷，提高不锈钢的耐磨性和使用寿命。经过一系列的试验以及性能检测，得出结论是： Si 涂层具有较好得耐磨耐蚀性，使工件有较高的硬度从而使使用寿命得以提高。 下载 关键词：涂层 Si 薄膜 耐磨损 一、概述 纳米材料存在小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应等基本特性，使其有着比传统材料无法比拟的独特性能和极大潜在应用价值。 本试验所研究的 Si薄膜纳米陶瓷材料是高技术陶瓷材料的一种，属于高硬度的纳米材料，在某种程度上具有明显的小尺寸效应和高表面效应。新型陶瓷材料
2、具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温的特性，因此陶瓷材料已被广泛的应用到了刀具、模具的生产和使用中。本试验的涂层 Si 薄膜属于结构陶瓷，是陶瓷材料中较有实用前景的一种。针对的主要方向就是刀具、模具的应 用。 Si 材料具有高化学稳定性、高电阻率、耐高温、辐射，硬度高，机械性能和光学性能优良等特性。在半导体器件、微电子工业、光电子工业、化工、太阳能电池和陶瓷切削加工工具等方面具有广泛的应用。它应用于刀具上作为表面涂层可使切削刀具获得优良的综合机械性能，从而大辐度提高机械加工效率及刀具的使用寿命，因此，该项技术将是满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一，获得巨大的经济效益和社会
3、效益。 本试验主要是在马氏体不锈钢（ 4Cr13）基体上，运用 PCVD（等离子体增强化学气相沉积） 法在其表面涂上一层 Si薄膜，在基体上镀上 Si 薄膜进行适当的表面改性，使其耐腐蚀，耐磨和硬度提高，从而延长设备的使用寿命，降低生产成本。 二、 涂层分析、讨论 本试验所用的基体材料是 4Cr13。为了检验涂层的各种性能，我们从不同的角度运用了不同的方法对其进行了多种测试，分别有：硬度梯度分析、电子探针检测及磨损试验。下面将对各种测试进行分析、讨论。 1.硬度梯度测试 硬度可以通过如下计算公式计算得到： HV=0.102F/S=0.1891F/d2 其中式中 F 为试验力（ N） d 为压痕
4、对角线的长度（ mm） HV=1.854.4P/d2 其中式中 P 为试验力（ gf） d 为压痕对角线的长度（ m ） 硬度梯度测试的结果与分析：以硬度值为纵坐标、离涂层表面的距离为横坐标，将试验所得的数据进行处理可得到如下曲线：（数据见附表 1） 由上图可以看出：涂层表面、过渡层、试样中心三个层中形成了一个明显的、有规律的梯度。即涂层表面硬度大约在 1000HV0.05 左右；过渡层硬度为 800HV0.05左右；试样中心与原基体 硬度基本相同，为 500HV0.05左右。因此可见试验中的对 4Cr13 涂 Si 纳米薄膜是有成效的。 Si 薄膜涂在工件上，即使是很薄的一层，只要结合牢固，
5、亦能使工件表面强化、硬化从而从跟本上提高工件的硬度。其硬度可达基体的两倍左右。 2.磨损测试 耐磨耐蚀使 Si薄膜的优良特性之一，也是我们试验要实现的目的之一。为了检验 Si 涂层的耐磨性能。在湖北省耐火及高温陶瓷重点试验室进行了耐磨试验。从试验结果可以知不涂 Si薄膜的基体材料的平均磨损速度是已涂 Si 薄膜的试样的 14倍。（镀涂层后的样品和基体的试验数 据见附表 2） 3.电子探针分析与讨论 经过对试验进行初步的金相显微照片分析之后，可以定性确认涂层是 Si，为了验证一下涂层是否达到预期的厚度、涂层成分如何，我们把试样送到武汉钢铁研究所进行了更进一步精确的分析。经分析涂层与过渡层得厚度为
6、 26.85um，其中涂层厚度达 6um，试验结果较为理想。由此可见本试验所用的 PCVD 法制备 Si 纳米薄膜是较为成功的，沉积效果是较好的。 3、结 论 通过本次试验可得如下结论： (1) 通过磨损试验分析：涂有涂层的试样磨损速率降低 了 14倍，寿命也将随之有较大的提高。 (2) 硬度梯度：表面超硬层显微硬度达 HV0.05=1000HV；过渡层显微硬度 HV0.05=800HV；基体 HV0.05=500HV。 由此可知， Si 纳米涂层具有强化基体硬度，提高耐磨性等性能。目前已被广泛的应用到了刀具、模具的生产和使用中，使切削刀具获得优良的综合机械性能。在实际运用中具有很高的经济价值。 参考文献 : 徐国材，张德立纳米复合材料北京：化学工业出版社， 2002 高濂，李蔚纳米陶瓷北京：化学工业出 版社， 2002 朱屯，王福明，王习东国外纳米材料技术进展与应用北京：化学工业出版社， 2002
