PVD氮化物涂層的高溫摩擦磨損特性及機理研究.pdf

1、涂層作為一種改善材料性能的有效手段在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是其優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕和抗氧化性能能夠有效地提高材料的耐磨性和使用壽命。涂層在使用過程中的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生大量的摩擦熱，使接觸面溫度急劇升高，因此工程中對涂層材料的高溫摩擦磨損性能有很高的要求。本課題制備了五種氮化物涂層，圍繞高溫摩擦學(xué)，對摩擦理論、氧化反應(yīng)、高溫摩擦磨損特性及磨損機理進行了’系統(tǒng)深入的研究。
　　 采用陰極弧蒸鍍的方法制備了TiN、TiAlN、AlT

2、iN、CrN和CrAlN五種氮化物涂層，經(jīng)檢劂分析發(fā)現(xiàn)：含Al元素的TiAlN、AlTiN和CrAlN涂層的硬度比TiN和CrN涂層明顯提高，表面和橫截面結(jié)構(gòu)更加致密，高Al含量的AlTiN和CrAlN涂層晶粒變小。與Ti基類涂層相比，Cr基類涂層的表面粗糙度略小但結(jié)合強度較高。
　　 把環(huán)境溫度以及摩擦溫升引起的熱應(yīng)力考慮在內(nèi)對高溫摩擦應(yīng)力進行了理論和模擬分析計算，結(jié)果顯示：在涂層與基體的界面結(jié)合處應(yīng)力突變，且隨溫度的升高，突

3、變程度增加，涂層易脫落。從熱應(yīng)力的角度對比五種涂層發(fā)現(xiàn)，CrAlN涂層的高溫?zé)崃W(xué)性能最好，而TiN涂層最差。
　　 對TiN、TiAlN、AlTiN、CrN和CrAlN五種涂層的高溫氧化特性進行了理論分析和試驗研究。采用物質(zhì)吉布斯自由能函數(shù)法對涂層氧化反應(yīng)進行了熱力學(xué)計算，結(jié)果表明：高溫下生成Al2O3的熱力學(xué)推動力最大，Cr2O3最小。從氧化動力學(xué)的角度考慮，Al2O3和Cr2O3能保持完整且生長緩慢，屬保護性薄膜，而TiO

4、2結(jié)構(gòu)疏松不具保護性。涂層氧化的過程受熱力學(xué)和動力學(xué)因素的共同交互作用。Al元素的加入形成的Al2O3能夠阻止涂層的深層氧化，且隨Al含量的增加，CrAlN和AlTiN兩涂層的抗氧化性能提高。相同溫度下Cr基涂層的抗氧化性能要優(yōu)于Ti基涂層，因為Ti基涂層呈現(xiàn)一種柱狀晶結(jié)構(gòu)，氧沿著松弛的柱狀晶粒邊界垂直向涂層內(nèi)部擴散相對較易，氧化過程很大程度上受氧向涂層內(nèi)部擴散的控制。而Cr基涂層晶體結(jié)構(gòu)為隨機非柱狀生長，晶粒生長的不一致性使得氧化的進

5、程較為緩慢。五種涂層的抗氧化能力大小為CrAlN>AlTiN>TiAlN>CrN>TiN。
　　 系統(tǒng)研究了五種PVD氮化物涂層200℃-700℃的高溫摩擦磨損特性。TiN和CrN涂層在高溫高速高載的摩擦環(huán)境下耐磨性較差。TiAlN涂層在高溫高速低載下具有較好的摩擦特性，AlTiN涂層的摩擦系數(shù)和磨損量隨溫度、速度和載荷的增大而減小，說明其適應(yīng)高溫高速高載的摩擦環(huán)境，而CrAlN涂層更適合于高溫高載低速的摩擦工況。在相同的實驗條

6、件下，CrN涂層的高溫耐磨性低于TiN。Al元素的加入可以提高涂層的耐磨性，且高Al含量的AlTiN涂層的高溫耐磨性能最好。
　　 分析了五種涂層的高溫磨損機理。由于摩擦溫升，涂層氧化更易發(fā)生，盡管涂層的輕微氧化可以提高耐磨性，但氧化加劇卻可以造成涂層的最終失效。除氧化磨損外，TiN涂層的高溫磨損機理為磨粒磨損、塑性變形以及對磨副之間的粘著磨損。TiAlN涂層在循環(huán)應(yīng)力的作用下發(fā)生脆性斷裂。較高的Al含量使AlTiN涂層的化學(xué)活

7、性明顯增加，因而發(fā)生粘著磨損。CrN涂層的硬度較低，易在力的作用下多次塑變失效，而CrAlN涂層只發(fā)生了磨粒磨損和氧化磨損。
　　 硬度對涂層磨損形式具有很大的影響，TiN、TiAlN與CrAlN涂層高溫下的磨痕存在明顯的磨損區(qū)、磨屑壓實區(qū)和磨屑粘著區(qū)的分界，而高溫下硬度較高的AlTiN涂層由于磨屑的粘著形成了負磨損。不同成份的氧化產(chǎn)物對涂層的摩擦磨損造成了很大的影響，TiO2的硬度和剪切強度都比較低，會使涂層產(chǎn)生低摩擦高磨損現(xiàn)