Al、Si對TiN及Mo2N基薄膜微觀組織、力學及摩擦磨損性能的影響.pdf

1、采用射頻磁控濺射法,制備了一系列不同Mo含量的TiMoN、TiAlMoN薄膜,不同Al含量的TiAlN、MoAlN薄膜及不同Si含量的TiSiN、MoTiSiN薄膜。研究了各薄膜微觀結構、力學及摩擦磨損性能。
　　TiMoN薄膜為fcc結構。Mo含量小于68.37％時,薄膜主要為Mo在TiN中的置換固溶體;當Mo含量大于68.37%時,薄膜主要為Ti在Mo2N中的置換固溶體。薄膜顯微硬度隨Mo含量的增加顯著升高,最高為36.37G

2、Pa。薄膜的摩擦系數(shù)隨Mo含量的升高而降低,并最終穩(wěn)定在0.4左右。TiMoN薄膜具有優(yōu)異的耐磨性能,磨損率在1×10-6---1×10-8mm2/N之間。TiMoN薄膜摩擦磨損性能受環(huán)境溫度的影響顯著,按平均摩擦系數(shù)及磨損率隨環(huán)境溫度的變化趨勢,可分為A-C三區(qū)間:25-200℃(A)、200-300℃(B)、300-600℃(C)。在三區(qū)間內(nèi),隨環(huán)境溫度的升高,平均摩擦系數(shù)的變化趨勢依次為升高、穩(wěn)定、降低;磨損率的變化趨勢依次為降低

3、、穩(wěn)定、升高。采用“絕熱法”定量計算了磨痕氧化物的相對含量,結果表明,氧化物的相對含量變化趨勢與磨損率的相同。分析認為,A區(qū)間內(nèi),由磨痕生成的具有潤滑作用、易磨損的層狀氧化物相對含量及磨痕吸附的水汽等潤滑物共同作用,導致平均摩擦系數(shù)及磨損率出現(xiàn)上述變化;磨痕氧化物的相對含量是導致B、C區(qū)間平均摩擦系數(shù)及磨損率變化的主要原因。
　　TiAlMoN薄膜為fcc結構。當Mo含量小于30.07%時,此時薄膜主要為Mo固溶在TiAlN中的置

4、換固溶體,薄膜硬度隨Mo含量的增加緩慢升高,薄膜平均摩擦系隨Mo含量的增加緩慢降低;當Mo含量大于44.61%時,薄膜主要為Ti、Al固溶在Mo2N中的置換固溶體,薄膜硬度及平均摩擦系數(shù)較之前者有明顯改善,且隨Mo含量變化不大;當Mo含量為34.31%時,薄膜主要存在兩種固溶體,即Mo固溶在TiAlN中的置換固溶體和Ti、Al固溶在Mo2N中的置換固溶體薄膜硬度及平均摩擦系數(shù)在上述兩者之間。薄膜組織轉變是造成硬度及平均摩擦系數(shù)變化的主要

5、原因。
　　Al含量對TiAlN薄膜微觀結構及性能影響顯著:當Al含量小于49.38%時,TiAlN薄膜為fcc結構,隨Al含量的升高,薄膜硬度逐漸升高,室溫摩擦系數(shù)逐漸降低;當Al含量大于49.38%時,薄膜為fcc+hcp混合結構,薄膜硬度逐漸降低,室溫摩擦系數(shù)逐漸升高。受磨痕表面氧化相的影響,TiAlN薄膜(Al含量為49.38%)平均摩擦系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高逐漸降低。MoAlN薄膜(XAl=5.95%-29.37%)為fc

6、c結構,具有(111)擇優(yōu)取向.薄膜主要為Al固溶在Mo2N中的置換固溶體,其化學式可近似表示為(MoxAl1-x)2N.薄膜顯微硬度、彈性模量隨Al含量的增加而逐漸降低,抗塑變能力先增強后降低.分析表明,薄膜顯微硬度主要受固溶強化、細晶強化和VEC值的影響.在高溫環(huán)境下,薄膜中Al原子易于向表層擴散生成致密的Al2O3,且Al2O3數(shù)量隨Al含量的增加而增加,故Al元素的引入顯著的提升了薄膜的熱穩(wěn)定性能.室溫下,MoAlN薄膜的平均摩

7、擦系數(shù)較低,且隨Al含量的增加先降低后升高.這種現(xiàn)象主要是由于薄膜抗塑變能力造成的.由于薄膜硬度及抗塑變能力的共同作用導致薄膜磨損率先降低后升高.
　　TiSiN薄膜為面心立方結構,隨Si含量的升高,薄膜衍射峰逐漸寬化,當Si含量小于20.19%時,薄膜硬度隨Si含量的升高逐漸升高,并在Si含量為20.19%時到達最大值,其值為28.38GPa;當Si含量大于20.19%時,薄膜硬度隨Si含量的升高先降低后保持穩(wěn)定。MoTiSiN