CrTiAlCN系列薄膜的结构及其水基切削液中的摩擦学特性研究

摘要

本文采用非平衡磁控溅射系统，在316L不锈钢和单晶硅片上沉积了 CrAlN、CrTiAlN、CrTiAlCN薄膜，在M2高速钢上沉积了不同C元素含量的CrTiAl(C)N薄膜，使用磁控溅射双靶共溅射系统在M2高速钢和单晶硅片上沉积了不同C元素含量的CrAl(C)N薄膜。对薄膜的元素组成、形貌结构、硬度及其与基材之间的结合力等进行了表征分析，探讨了各薄膜的沉积参数或摩擦条件的改变对薄膜在空气或切削液中的摩擦学特性的影响，通过对摩擦试验结果来探讨摩擦磨损机理。结果表明：
　　(1) CrAlN基薄膜中主要存在的相为fcc-CrN，在CrAlN薄膜中依次掺入Ti、C元素后，薄膜的硬度和膜基结合力均有所下降，硬度从1233HV0.01降至1110HV0.01；在空气中，三种薄膜的摩擦系数均在0.85~1.1之间，磨损率均随着对磨速度的提高而升高；在水基切削液中，摩擦系数和薄膜的磨损率随着对磨速度的提高而降低，当对磨速度为0.4m/s时，CrTiAlCN薄膜摩擦系数最低为0.24，而CrAlN薄膜因具有较好的机械性能，磨损率最低，为1.43×10-7mm3/Nm。
　　(2) CrAlCN薄膜中晶体的主要成分是CrN/Cr2N，而C元素含量的升高，薄膜中CrN/Cr2N成分逐渐减少。随着C元素含量的增加，CrAlCN薄膜的硬度先增加后减小，在C元素含量为50.3 at.％时，薄膜的硬度最高，为1095HV0.01。在空气和水基切削液的条件下，薄膜的摩擦系数都随着 CrAlCN薄膜中 C元素含量的增加有降低的趋势，在空气中，摩擦系数从1.06降低到0.34，而在水基切削中，摩擦系数从0.60降低到0.11；空气和水基切削液条件下，CrAlCN4薄膜都具有最低的磨损率，分别为为2.78×10-5 mm3/Nm和1.62×10-5 mm3/Nm。
　　(3) CrTiAl(C)N薄膜中所含晶体的主要成分是面心立方CrN/TiN/AlN，且随着C元素含量的增加，衍射峰强度逐渐降低；随着C元素含量的增加，CrTiAl(C)N薄膜的硬度先增加后减小，在C元素含量为22.5 at.%时，薄膜的硬度最高，为2999HV0.05，CrTiAl(C)N薄膜的结合力则随着C元素含量的增加逐渐减小，CrTiAlN薄膜的膜基结合力最高，为76N；CrTiAl(C)N薄膜与小球在空气和水基切削液中对磨的摩擦系数随着C元素含量的增加均有所降低，在空气中，从1.22降低至0.37，而在水基切削中，摩擦系数从0.60降至0.53。在空气和水基切削液中， CrTiAlCN5薄膜的均有最低的磨损率，分别为9.83×10-7 mm3/Nm和1.15×10-6 mm3/Nm。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 刀具涂层制备技术及发展现状

1.3 CrTiAlCN系列刀具涂层材料的研究进展

1.4 绿色润滑的发展趋势

1.5本文的研究目的和研究内容

第二章 试验方法

2.1 实验材料

2.2 涂层的制备工艺

2.3 薄膜的微观结构及检测方法

2.4 薄膜的机械性能分析

2.5薄膜摩擦特性分析

2.6 本章小结

第三章 CrAlN基薄膜的结构、机械性能及其摩擦学性能研究

3.1 引言

3.2 薄膜制备参数

3.3 CrAlN基薄膜的成分及结构

3.4 CrAlN基薄膜的机械性能

3.5 薄膜的摩擦学性能分析

3.6 本章总结

第四章 C含量对CrAl(C)N薄膜的结构、机械性能及其摩擦学性能的影响

4.1 引言

4.2 薄膜制备参数

4.3 CrAl(C)N薄膜的成分及结构

4.4 CrAl(C)N薄膜的机械性能

4.5 CrAl(C)N薄膜的环境摩擦学特性研究

4.6 本章小结

第五章 C含量对CrTiAl(C)N薄膜的结构、机械及其摩擦学性能的影响

5.1 引言

5.2 薄膜制备参数

5.3 CrTiAl(C)N薄膜的成分及结构

5.4 CrTiAl(C)N薄膜的机械性能

5.5 CrTiAl(C)N薄膜的摩擦学性能分析

5.6 本章总结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文