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
利用四靶閉合場(chǎng)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,應用金相顯微鏡對各個(gè)涂層磨痕形態(tài)進(jìn)行分析,結果表明TiN、CrN、TiAlN、CrAlN以及CrTiAlN涂層的摩擦系數依次減小,耐磨特性依次提高;結合涂層的X射線(xiàn)光電子能譜分析,可以得到含有Al元素涂層中形成了AlN的結構,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,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)應運而生，并被廣泛的應用。
目前，硬質(zhì)涂層主要集中在過(guò)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(xué)性能穩定、耐熱耐氧化等優(yōu)點(diǎn)。其中以Ti和Cr 兩種金屬元素為基礎開(kāi)發(fā)的涂層種類(lèi)最多，且研究最多，應用最廣，構成了PVD 過(guò)渡族元素化合物中最大的兩個(gè)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、膜與基體結合強度高、抗高溫氧化性和抗腐蝕性好，以及內應力低（膜層可以做到厚達50 μm)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為研究的熱門(mén)，并已在切削刀具(尤其是有色金屬切削)、模具、汽車(chē)、餐具、防腐和裝飾等領(lǐng)域取得了很好的應用效果。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(diǎn)，被廣泛應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(zhù)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，單一的二元涂層很難滿(mǎn)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(diǎn)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A(yíng)l 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力、硬度、彈性模量密度等進(jìn)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的影響缺乏系統的研究，尤其是添加不同金屬元素后摩擦系數沒(méi)有系統的相對比較研究。
本文針對CrN 和TiN，以及加入Al 元素后形成的TiAlN、CrAlN 和CrTiAlN 涂層的摩擦系數進(jìn)行了綜合對比研究，得到氮化物涂層含有不同金屬元素時(shí)，對摩擦系數的影響關(guān)系，對于指導設計不同的膜系結構，提高膜層的摩擦特性，開(kāi)發(fā)新工藝和應用都具有重要的參考價(jià)值。
實(shí)驗
實(shí)驗裝置
采用四靶閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射真空鍍膜機進(jìn)行實(shí)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(gè)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(guò)調節靶功率大小來(lái)控制。
單質(zhì)靶材與合金靶相比，其優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)調節靶功率控制靶電流，從而控制摻雜不同元素的成分，缺點(diǎn)是可調節參數多，穩定性差。
通過(guò)對幾種氮化物涂層的摩擦磨損結果分析，綜合比較得到如下結論：
(1) 含Cr 元素的氮化物涂層，摩擦磨損中Cr的氧化物可以提高涂層的自排屑能力，使薄膜具有一定的自潤滑特性；然而含有Ti 元素的氮化物涂層中易于形成耐磨性差，自排屑性能差的TiO2，因此，Cr 元素的氮化物涂層摩擦磨損特性明顯好于含Ti 元素的涂層；
(2) 加入Al 元素后，由于A(yíng)l 元素在氮化物涂層中與N 結合形成AlN，這會(huì )顯著(zhù)減小晶粒尺寸，提高薄膜硬度，增加涂層耐磨特性；
(3) Cr，Al，Ti 元素的三元和四元的氮化物涂層較其二元的氮化物具有較高的硬度，同時(shí)具有更好的耐磨特性與較小的摩擦系數，特別是四元氮化物CrTiAlN 的摩擦磨損性能在幾種涂層中最優(yōu)。這對實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)與涂層應用也有著(zhù)積極的指導意義。
