物理氣相沉積（PVD）涂層的摩擦學行為研究.pdf

1、物理氣相沉積(PVD)方法制備的涂層具有高硬度、耐磨性能良好和化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)在刀具、模具、汽車及航空航天等行業(yè)獲得廣泛應用。開展PVD涂層的摩擦磨損基礎(chǔ)研究能為涂層的制備開發(fā)和工業(yè)應用提供指導，同時對深化涂層摩擦學基礎(chǔ)理論具有重要意義。 本文在CETR UMT-2多功能摩擦磨損試驗機上，以Si3N4陶瓷球和純鈦球為對磨副，采用球-平面接觸方式，對多弧離子鍍(MAIP)制備的CrN、AlCrN和AlTiN涂層，磁過濾陰極

2、弧源(FCVA)制備的CrN涂層和磁控濺射制備的WC/C類金剛石涂層進行了往復(雙向)和球-盤式(單向)滑動摩擦學試驗。采用顯微硬度計、納米壓痕儀、表面輪廓儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜儀(EDX)、X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)和電子探針儀(EPMA)等分析手段，系統(tǒng)地研究了PVD涂層的摩擦磨損行為。獲得的主要結(jié)論如下： 1.采用FCVA技術(shù)制備了CrN涂層，與MAIP法制備的CrN涂層進行對比，

3、結(jié)果表明：FCVA CrN涂層沉積參數(shù)對其摩擦磨損特性有很大的影響，大量試驗優(yōu)化了其制備工藝；相比MAIP CrN涂層，F(xiàn)CVA CrN涂層表面更為光滑、致密，“大顆?！焙涂锥慈毕莞?，因此表現(xiàn)出更優(yōu)越的耐磨性。PVD CrN涂層微觀結(jié)構(gòu)上的差異導致了在摩擦過程中排屑行為和損傷機制等方面的差異。 2.綜合對比了CrN、AlCrN和AlTiN涂層的摩擦學行為，研究了PVD涂層成分對涂層摩擦學特性的影響，結(jié)果表明：1)正常磨損條件下

4、，CrN涂層的耐磨性優(yōu)于AlCrN涂層，但高法向載荷條件下CrN涂層磨痕中心最大應力處出現(xiàn)明顯的局部嚴重磨損，AlCrN涂層的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在承載能力的提高；2)AlTiN與AlCrN涂層的摩擦磨損特性差異主要源自涂層排屑行為和摩擦化學行為的不同：AlTiN涂層排屑性能較差，磨屑存在摩擦界面加速了涂層的磨損；AlCrN涂層排屑性能良好，磨損表面呈拋光效應，涂層中的Cr元素和Al元素都能同時在摩擦過程中形成穩(wěn)定、高硬度、耐熱的氧化物(Cr2

5、O3、Cr2O5和Al2O3)而保護了涂層。3)AlCrN涂層擁有良好的承載能力和排屑行為，優(yōu)越的抗磨粒磨損和抗氧化磨損性能。總之，PVD涂層組成成分在摩擦過程中導致了涂層在硬度、承載能力、排屑行為和摩擦化學行為等方面的差異，并最終影響了涂層的摩擦學性能。 3.CrN涂層的抗鈦粘著性能明顯優(yōu)于AlCrN和AlTiN涂層。AlCrN和AlTiN涂層中的Al元素與Ti摩擦副有很高的親和力，容易引起鈦的粘著，不適合與鈦配副的摩擦學應用

6、領(lǐng)域。 4.WC/C類金剛石固體潤滑涂層在摩擦過程中在對磨球表面形成石墨轉(zhuǎn)移膜，因此涂層表現(xiàn)出良好的潤滑效果。與純鈦球配副時，不同滑動模式下涂層的損傷僅表現(xiàn)為極其輕微的磨粒磨損和氧化磨損；與Si3N4球配副時，WC/C涂層在往復滑動模式下的磨損主要表現(xiàn)為塑性流動、磨粒磨損和氧化磨損，在球-盤滑動模式下的磨損主要表現(xiàn)為剝層和氧化磨損，涂層沉積過程所產(chǎn)生的孔洞缺陷是涂層剝落的起始源。研究發(fā)現(xiàn)較小的滑動速度有利于轉(zhuǎn)移膜在兩種對磨球表面