物理氣相沉積（PVD）涂層的摩擦學(xué)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(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在刀具、模具、汽車及航空航天等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。開(kāi)展PVD涂層的摩擦磨損基礎(chǔ)研究能為涂層的制備開(kāi)發(fā)和工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)深化涂層摩擦學(xué)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(yàn)機(jī)上，以Si3N4陶瓷球和純鈦球?yàn)閷?duì)磨副，采用球-平面接觸方式，對(duì)多弧離子鍍(MAIP)制備的CrN、AlCrN和AlTiN涂層，磁過(guò)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(jìn)行了往復(fù)(雙向)和球-盤式(單向)滑動(dòng)摩擦學(xué)試驗(yàn)。采用顯微硬度計(jì)、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(jìn)行對(duì)比，

3、結(jié)果表明：FCVA CrN涂層沉積參數(shù)對(duì)其摩擦磨損特性有很大的影響，大量試驗(yàn)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(dǎo)致了在摩擦過(guò)程中排屑行為和損傷機(jī)制等方面的差異。 2.綜合對(duì)比了CrN、AlCrN和AlTiN涂層的摩擦學(xué)行為，研究了PVD涂層成分對(duì)涂層摩擦學(xué)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(yīng)力處出現(xiàn)明顯的局部嚴(yán)重磨損，AlCrN涂層的優(yōu)勢(shì)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(xué)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(yīng)，涂層中的Cr元素和Al元素都能同時(shí)在摩擦過(guò)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(hù)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?？傊?，PVD涂層組成成分在摩擦過(guò)程中導(dǎo)致了涂層在硬度、承載能力、排屑行為和摩擦化學(xué)行為等方面的差異，并最終影響了涂層的摩擦學(xué)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(xué)應(yīng)用

6、領(lǐng)域。 4.WC/C類金剛石固體潤(rùn)滑涂層在摩擦過(guò)程中在對(duì)磨球表面形成石墨轉(zhuǎn)移膜，因此涂層表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑效果。與純鈦球配副時(shí)，不同滑動(dòng)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(shí)，WC/C涂層在往復(fù)滑動(dòng)模式下的磨損主要表現(xiàn)為塑性流動(dòng)、磨粒磨損和氧化磨損，在球-盤滑動(dòng)模式下的磨損主要表現(xiàn)為剝層和氧化磨損，涂層沉積過(guò)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(dòng)速度有利于轉(zhuǎn)移膜在兩種對(duì)磨球表面