陰極弧離子鍍制備AlCrN涂層的高溫摩擦磨損行為

2014-08-15 孔德軍常州大學機械工程學院

　　采用陰極離子鍍在TiC金屬陶瓷刀具表面制備了AlCrN涂層，采用球/平面接觸方式考察了900℃高溫時不同載荷作下涂層的摩擦磨損行為。通過掃描電鏡觀察了磨痕輪廓和微觀形貌，并用能量散射譜和X射線衍射分析了磨損后涂層表面化學元素和物相的變化，討論了載荷對涂層摩擦因數和磨損性的影響。結果表明，經900℃高溫氧化后，涂層中N元素全部釋放，形成Al和Cr的氧化物，改善了潤滑性能和磨損性能；在載荷600，800和1000g作用下，涂層摩擦因數平均值分別為0.1455，0.3939，0.4188，在載荷600g時表現出優良的摩擦特性，適用于精密切削加工；在高溫下AlCrN涂層表現為氧化磨損，同時伴隨著少量的磨粒磨損和黏著磨損。

　　隨著高速、高精度和高效干切削的發展，表面涂層技術是有效地改善刀具性能的主要途徑。CrN涂層具有高硬度、高耐磨性和低的摩擦因數等優點，廣泛地應用于刀具表面改性處理，但是CrN涂層工作溫度只有650℃，不適用于高溫切削加工。CrN晶體為面心立方結構，加入Al原子后，會替換部分CrN中Cr原子，Al原子固溶到CrN晶體中，CrN晶體結構從面心立方轉變為六方結構，對其微觀結構、力學性能和磨損性能有顯著的影響。

　　在高溫下可以形成Cr2O3和Al2O3這兩種致密氧化物，從而提高其熱穩定性，抗氧化溫度可以達到900℃，仍可以保持高硬度、高耐磨性、抗高溫氧化和與基材附著力好的性能，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為適用于超大型齒圈的高效干切削。國內尚未見到AlCrN涂層高溫摩擦擦磨損性能的報道。作者采用陰極弧離子鍍法在TiC金屬陶瓷刀具表面制備了AlCrN涂層，分析其在900℃高溫下摩擦磨損行為，為超大型齒圈高效切削加工提供技術參考。

試驗方法

　　基體材料為TiC基金屬陶瓷刀具，采用納米級TiN加入微米級TiC混合后經燒結制成，其中硬質相為TiC和TiN，粘接劑為Ni，其化學成分(質量比)：Ti51.26%，W19.55%，C12.92%，Ni7.63%，Co8.64%。試樣經除油噴砂處理后，用丙酮溶液超聲波清洗和無水乙醇脫水，恒溫爐烘干后，在PVT鍍膜機上進行鍍膜。采用純度為99.99%的Cr和Al為靶材，鍍膜參數為：真空度3×10^-3 Pa，爐內溫度500℃，反應氣體為N2，鍍膜時間120min。采用N2氣保護，經180℃退火處理2h后，用丙酮在KQ2200DE型數控超聲清洗，再采用去離子水超聲清洗，最后用吹風機烘干即得所需試樣。通過HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機考察AlCrN涂層在900℃下摩擦-磨損特征，試驗參數：載荷分別為600、800和1000g；溫度為900℃，由30段可編程溫度控制器調節，精度為0.2%FS(滿量程)；對磨件為陶瓷球，摩擦半徑3mm，旋轉速度1000r/min。磨損試驗結束后，用SUPRA55型掃描電鏡觀察涂層高溫磨損前后表面形貌，并用掃描電鏡(SEM)配置的電子能譜儀(EDS)和D/max2500PC型X射線衍射(XRD)儀分析高溫磨損前后涂層化學組成和物相變化，研究高溫條件下AlCrN涂層磨損失效機理。

結果分析與討論

表面形貌與EDS分析

　　圖1(a)為AlCrN涂層常溫下表面形貌，表面的顆粒比較細小，其原因是Al靶濺射產額增加，導致涂層形核率增加。涂層表面較平整，存在許多大小不一的凹坑，這是由于離子轟擊引起的涂層表面反濺射效應所致，在一定程度上使得涂層表面粗糙度有所降低。AlCrN涂層化學元素質量分數：Al36.72%，Cr36.11%，N27.18%；原子分數：Al34.06%，Cr17.38%，N48.56%，如圖1(b)所示。AlCrN涂層成分為Al、Cr、和N三種元素，其原子數之比接近2：1：3。這說明涂層主要是由Al和Cr的氮化物組成，有利于提高涂層硬度和抗氧化性能。

AlCrN涂層表面形貌與EDS分析