氮化物硬質(zhì)涂層中Cr、Ti和Al元素對摩擦磨損特性的影響

2012-05-30 韓亮西安電子科技大學技術(shù)物理學院

　　利用四靶閉合場非平衡磁控濺射(CFUBMS)技術(shù)在石英玻璃和拋光不銹鋼片兩種基底上制備含有Cr、Ti和Al元素組合的各種氮化物涂層。采用摩擦磨損儀測試涂層摩擦系數(shù),應(yīng)用金相顯微鏡對各個涂層磨痕形態(tài)進行分析,結(jié)果表明TiN、CrN、TiAlN、CrAlN以及CrTiAlN涂層的摩擦系數(shù)依次減小,耐磨特性依次提高;結(jié)合涂層的X射線光電子能譜分析,可以得到含有Al元素涂層中形成了AlN的結(jié)構(gòu),提高涂層的硬度,增加耐磨特性;在涂層中含有Cr元素形成了氧化物Cr2O3可以提高涂層自排屑能力,減小摩擦系數(shù),增加耐磨特性,含Ti元素形成的氧化物TiO2則不利于涂層的摩擦磨損特性;由于CrTiAlN本身具有比三元氮化物更高的涂層硬度,且含有Al和Cr元素,因此該涂層具有最好的摩擦磨損性能。

　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中各種機械切削和耐磨損部件對硬度、耐磨性、抗氧化性等綜合機械性能的要求不斷提高，使得各種硬質(zhì)涂層技術(shù)應(yīng)運而生，并被廣泛的應(yīng)用。

　　目前，硬質(zhì)涂層主要集中在過渡族元素的碳、氮和氧化物，因為它們具有高硬度、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化等優(yōu)點。其中以Ti和Cr 兩種金屬元素為基礎(chǔ)開發(fā)的涂層種類最多，且研究最多，應(yīng)用最廣，構(gòu)成了PVD 過渡族元素化合物中最大的兩個涂層體系，即Ti 基和Cr 基涂層體系。其中，二元涂層CrN 具有韌性高、耐磨性好、膜與基體結(jié)合強度高、抗高溫氧化性和抗腐蝕性好，以及內(nèi)應(yīng)力低（膜層可以做到厚達50 μm)等優(yōu)點，近年來成為研究的熱門，并已在切削刀具(尤其是有色金屬切削)、模具、汽車、餐具、防腐和裝飾等領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效果。而二元的TiN 涂層具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蝕性的特點，被廣泛應(yīng)用于刀具和裝飾涂層。TiN 的顯微硬度高于CrN (CrN 約HV1750，TiN 約HV2300)，但CrN 抗氧化性、韌性高于TiN，隨著工業(yè)的進一步發(fā)展，單一的二元涂層很難滿足工業(yè)上提出的新要求，因此多元多層涂層是目前研究的熱點課題。

　　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，其中最具代表性的當屬于Al 元素。Al 的加入使TiN 和CrN 形成的三元TiAlN 和CrAlN，或四元TiCrAlN 涂層在硬度、耐高溫和耐磨損性能上都有明顯的提高。目前，對于不同元素組合的氮化物涂層的應(yīng)力、硬度、彈性模量密度等進行了詳細的研究。但有關(guān)文獻對于添加不同金屬元素對摩擦系數(shù)的影響缺乏系統(tǒng)的研究，尤其是添加不同金屬元素后摩擦系數(shù)沒有系統(tǒng)的相對比較研究。

　　本文針對CrN 和TiN，以及加入Al 元素后形成的TiAlN、CrAlN 和CrTiAlN 涂層的摩擦系數(shù)進行了綜合對比研究，得到氮化物涂層含有不同金屬元素時，對摩擦系數(shù)的影響關(guān)系，對于指導設(shè)計不同的膜系結(jié)構(gòu)，提高膜層的摩擦特性，開發(fā)新工藝和應(yīng)用都具有重要的參考價值。

實驗

實驗裝置

　　采用四靶閉合場非平衡磁控濺射真空鍍膜機進行實驗樣品制備，為了能夠方便地添加不同的金屬元素，鍍膜機選用四個單質(zhì)靶材，分別為Cr、Ti、Cu 和Al 靶，如圖1 所示。靶電流可以通過調(diào)節(jié)靶功率大小來控制。

氮化物硬質(zhì)涂層中Cr、Ti和Al元素對摩擦磨損特性的影響