碳含量对TiAlCN涂层结构和摩擦学性能的影响

摘要

目的 探索制备摩擦因数低、硬度高、弹性模量高和耐磨性高的TiAlCN涂层。方法 采用多弧离子镀技术在F690钢表面沉积具有不同碳含量的TiAlCN涂层。通过扫描电镜(SEM)、激光共聚焦显微镜、拉曼光谱仪、透射电子显微镜、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪、往复式摩擦磨损仪和台阶仪对涂层的结构、硬度、弹性模量、摩擦磨损性能和磨痕形貌进行分析。结果 碳含量对TiAlCN涂层的结构、硬度和摩擦学性能有比较明显的影响。涂层表面粗糙度会随着涂层中碳含量的增加而逐渐增大。此外,涂层的组成主要为fcc-TiN、fcc-TiC和hcp-AlN。随着涂层中碳含量的增加,涂层的晶粒取向由(111)变化为(200),同时涂层中的非晶含量也逐渐增加,涂层的纳米硬度和弹性模量也随之下降。碳的质量分数为15.57%的TiAlC80N320涂层具有36.21 GPa的硬度和430.15 GPa的弹性模量。在干摩擦条件下,TiAlC80N320涂层具有较低的磨损率,为2.85×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。TiAlC160N320涂层具有较低的摩擦因数,但是具有较高的磨损率(4.31×10^(-6)mm^(3)/(N·m))。结论 涂层中碳含量的增加会导致涂层中非晶含量的增加,涂层的硬度、弹性模量和耐磨性会随之降低,涂层的摩擦因数会降低。