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PVD真空鍍膜AlTiN和AlCrN涂層的往復(fù)滑動摩擦學(xué)行為
發(fā)布時間：2018-08-14
前言
物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，簡稱PVD)技術(shù)制備的二元過渡元素氮化物涂層中，TiN和CrN涂層因具備了優(yōu)良的綜合性能而在刀具、模具、耐磨和防腐等領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用。盡管如此，簡單的二元涂層已經(jīng)難以滿足高速發(fā)展的工業(yè)對涂層性能提出的新要求，多元涂層技術(shù)的應(yīng)用是有效的解決途徑。盡管Ti基和Cr基氮化物涂層多元技術(shù)研究涉及到的金屬元素有很多種，如Al、V、Nb、Ta、Si等，但其中最具代表性的當(dāng)屬于Al元素。Al加入后與TiN和CrN形成的三元Cr-Al-N和Ti-Al-N涂層在抗磨粒磨損和高溫氧化等方面的性能得到極大提高，被廣泛應(yīng)用于解決現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的摩擦學(xué)問題。隨著Al含量的進(jìn)一步提高，Al原子數(shù)含量超過50％后所形成的AlTiN和AlCrN涂層在硬度、耐高溫和耐磨損等性能上得到進(jìn)一步提高，極大地拓寬了PVD技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，并成為當(dāng)前PVD氮化物涂層最典型的代表。
AlTiN和AICrN涂層在切削、高溫氧化、軸承等應(yīng)用方面的研究都已有報道，但針對涂層摩擦磨損性能展開的研究較少。本文對比研究了AlTiN和AICrN涂層的干態(tài)滑動摩擦磨損特性，討論了兩者的摩擦磨損行為差異，這對其摩擦學(xué)應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。
1、試驗部分
AITiN和AICrN涂層均采用多弧離子鍍方法在K40硬質(zhì)合金(硬度為HV300，表面粗糙度約0.04um)表面沉積。兩種涂層均為單層面心立方結(jié)構(gòu)，其中AITiN涂層中的Al和Ti的原子比約為67:33；AJ-CrN涂層中的Al和Cr原子比約為70:30。AlTiN和AlCrN涂層的厚度分別約2.0um和1.2um；表面粗糙度分別約0.14um和0.12um(MITUTOYOSJ-400表面粗糙度儀測定)；顯微硬度分別為HV3331和HV3106(AkashiMVK-H12型顯微硬度儀測定)；納米硬度分別為35.72GPa和32.48GPa；彈性模量分別為460.35GPa和568.42GPa(納米硬度及彈性模量用瑞士CSEM納米壓痕儀測定)。
涂層往返滑動摩擦試驗在CETRUMT-2多功能摩擦磨損試驗機上進(jìn)行，采用影平面接觸方式，平面試樣(尺寸為10mm×10mm×20mm)為涂層試樣，對磨球為直徑4mm的Si3N4陶瓷球(硬度為HV1800，表面粗糙度約0.03um)。摩擦試驗的主要參數(shù)為：法向載荷(Fn)為5N和10N；位移幅值2mm；相對滑動速度8mm/s；時間30min。試驗環(huán)境條件為大氣下干態(tài)(溫度20-25℃，相對濕度60％±10％)。摩擦試驗后，用Ambios輪廓儀測繪磨痕橫截面輪廓；用Quan-ta2000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕形貌；在SEM下用EDAX-7760/68ME型電子能譜儀(EDX)分析磨損表面和磨屑的成分。
2、結(jié)果與討論
2.1 摩擦系數(shù)
圖1示出了AITiN和AlCrN涂層在不同法向載荷下的往返滑動摩擦系數(shù)曲線，可見AITiN涂層的摩擦系數(shù)在經(jīng)歷爬升階段后出現(xiàn)明顯抖動，表明摩擦接觸界面內(nèi)存在較大的不穩(wěn)定性。相對AITiN涂層而言，AJ-CrN涂層的摩擦系數(shù)值明顯較低，且曲線平穩(wěn)性較好。此外，AlCrN涂層摩擦系數(shù)曲線的爬升階段較長，且在經(jīng)歷短暫的下降階段后曲線趨于平穩(wěn)。
2.2 磨痕輪廓
對比法向載荷為5N時的兩種涂層磨痕輪廓可知，AITiN涂層的磨損深度最大值約為1.2um，明顯高于AICrN涂層的0.6um(見圖2(a))。此外，AlTiN涂層磨痕中心有隆起狀的磨屑堆積，而AlCrN涂層磨痕內(nèi)部的磨損表面非常平整，無明顯起伏(見圖2)。當(dāng)法向載荷增加為10N時，AlTiN涂層磨損明顯加劇，磨損深度最大值約2.8um，大于涂層的厚度。表明涂層已磨穿；而AlCrN涂層的磨損程度較法向載荷為5N時無明顯加重，法向載荷的增大只使得涂層的磨損深度及寬度略微增大，AlCrN涂層的耐磨性明顯優(yōu)于AlTiN涂層。
2.3 磨損形貌分析
圖3(a)為AITiN涂層在法向載荷5N條件下的磨痕SEM形貌。可以看出磨痕內(nèi)部有犁溝的痕跡和明顯的磨屑堆積。EDX能譜分析顯示涂層磨損表面含有較高含量的O元素，而且磨痕中心區(qū)域的磨屑中還含有較高含量的Si元素，這說明AITiN涂層發(fā)生了氧化磨損，而且發(fā)生了對磨球Si3N4陶瓷的水合反應(yīng)，生成了較多的SiO2磨屑。圖3(b)示出了AICrN涂層在5N下的磨痕SEM形貌，可見涂層的磨損非常輕微，磨損表面光滑平整，磨痕端部有明顯磨屑堆積，這是磨粒向兩端排出的結(jié)果。EDX能譜分析顯示涂層磨損表面只有微量的O元素的存在，這說明AlCrN涂層發(fā)生了輕微的氧化。
進(jìn)一步放大觀察涂層磨痕中心區(qū)域的形貌，從圖4(a)可以看出AlTiN涂層內(nèi)部有大量的磨屑并形成磨屑層，由此可推測涂層在摩擦過程中的排屑能力差，磨損表面的磨粒未能及時排出并不斷地被碾壓、碎化、氧化，并最終在磨痕中心區(qū)域形成了三體層。這加劇了AlTiN涂層的磨損，并導(dǎo)致涂層的摩擦系數(shù)在穩(wěn)定磨損階段出現(xiàn)下降并伴隨明顯波動。而從圖4(b)中可以看出AlCrN涂層磨損表面及其光滑，幾乎無犁溝的痕跡，表面呈拋光效應(yīng)。因此，AlCrN涂層的摩擦系數(shù)非常平穩(wěn)，涂層的磨損機理為輕微的磨粒磨損和氧化磨損。
隨著法向載荷增大為10N，AlTiN涂層磨損明顯加重，從圖5(a)中可以看出磨痕內(nèi)部大部分涂層被磨損去除，結(jié)合EDX能譜分析可以確定磨痕內(nèi)部淺色區(qū)域為涂層被去除后露出的基體材料。進(jìn)一步放大殘余涂層和裸露基體交界處的形貌，可以看出AlTiN涂層的磨損去除呈明顯的磨粒磨損特征。EDX能譜分析結(jié)果表明殘余的黑色物質(zhì)為涂層和對磨球的氧化物，因此AlTiN涂層失效為磨粒磨損和氧化磨損共同作用的結(jié)果。AlCrN涂層在法向載荷10N條件下的磨損表面相對于5N時無明顯變化（見圖5(b)），磨損表面依然十分光滑，幾乎無犁溝的痕跡。但觀察磨痕端部的磨屑堆積形貌和堆積量可以發(fā)現(xiàn)，AlCrN涂層在高載荷下的排屑能力略微下降，磨損表面的磨屑未能及時排出，加重了涂層的磨粒磨損，造成涂層的磨損深度及寬度較低載荷時略微增大，而磨屑參與承載則使得涂層的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)降低。
3、結(jié)論
（1）往復(fù)滑動摩擦條件下AlTiN涂層的磨痕內(nèi)部有明顯犁溝的痕跡和磨屑堆積，摩擦系數(shù)平穩(wěn)性較差，涂層失效為磨粒磨損和氧化磨損共同作用的結(jié)果；AlCrN涂層的摩擦系數(shù)平穩(wěn)，磨損表面十分光滑，表面呈拋光效應(yīng)，涂層的磨損機理為輕微的磨粒磨損和氧化磨損。
（2）AlCrN涂層的耐磨性明顯優(yōu)于AlTiN涂層。相比AlTiN涂層，AlCrN涂層擁有良好的排屑機制，優(yōu)越的抗磨粒磨損和抗氧化磨損性能，從而極大地拓寬了PVD硬質(zhì)圖層的摩擦學(xué)應(yīng)用范圍。
來自：莫繼良、朱曼昊
來自：莫繼良、朱曼昊
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