CrN和CrAlN涂层热稳定性、力学和摩擦学性能研究

摘要

目的针对现有刀具用硬质CrN及CrAlN涂层的热稳定性研究尚属空白,以及对其涂层摩擦学性能的影响尚不清楚等问题,开展CrN和CrAlN涂层的热稳定性、氧化行为、力学性能及摩擦磨损性能研究。方法采用中频反应磁控溅射技术制备CrN和CrAlN涂层,利用真空热脱附系统、场发射扫描电镜、原子力显微镜、能谱仪、X射线衍射、拉曼光谱仪、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等探究2种涂层的结构、热稳定性、力学性能和摩擦学性能。结果在真空温度为646℃左右时,CrN涂层开始发生N分解和释放,在885℃左右时N的释放速率达到峰值。CrAlN涂层在真空温度为722℃左右时才开始发生N分解和释放,而在1000℃下N的释放速率并未达到峰值。在大气温度600℃下,CrN涂层开始发生氧化,并生成Cr_(2)O_(3)相,且Cr_(2)O_(3)层的厚度随着温度的升高而增加,在900℃时涂层完全氧化。CrAlN涂层在900℃时才开始发生氧化,生成更为致密的Cr_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)混合氧化层,阻止涂层进一步氧化。在大气高温条件下,CrAlN涂层均具有比CrN涂层更高的硬度和弹性模量。随着温度的升高,2种涂层的表面粗糙度逐渐增加,摩擦因数逐渐降低,CrAlN涂层在600、800℃下的表面粗糙度和磨损率均低于CrN涂层。结论在真空下,CrAlN涂层中键能较高的Al-N共价键改善了涂层的热稳定性,提高了CrAlN涂层中N的分解温度。在大气中,CrAlN涂层具有比CrN涂层更高的抗氧化性、硬度和弹性模量,CrAlN涂层在高温氧化过程中生成了连续且致密的Cr_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)混合氧化层,能够减缓O原子向涂层内部的扩散。CrAlN涂层具有比CrN涂层更优异的耐磨性,更适合作为高温工况下服役的刀具和模具等易磨损材料的防护涂层。