等离子体增强磁控溅射CrSiN涂层摩擦磨损行为
发布时间：2021-09-29 19:50
目的基于细晶强化理论,借助新型涂层制备技术获得综合性能优良的CrSiN涂层,研究Si含量对涂层微观结构、力学性能及耐磨性能的影响规律。方法采用等离子体增强磁控溅射技术,制备四种含有不同Si含量的Cr Si N涂层。使用X射线能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）,分析涂层的化学成分、晶体结构、微观形貌和表面粗糙度。使用纳米压痕/划痕仪测试涂层的显微硬度、杨氏模量和结合力。使用摩擦磨损试验仪考察涂层的摩擦磨损行为。结果 Cr Si N涂层中Si含量随着Si靶功率的增加而增加。所有涂层中均未检测到含Si物相,主要由Cr N相组成。随着Si含量的增加,CrN（111）衍射峰逐渐减弱直至消失,涂层由疏松的三角锥结构逐渐变为致密平整的CrN纳米晶和Si3N4非晶共存的复合结构,涂层表面粗糙度显著降低,涂层的显微硬度、杨氏模量、结合力及耐磨性能均呈现先增后降的趋势。结论 Si含量为18.5%的Cr Si N涂层具有最佳的耐磨性能,此时涂层的硬度、杨氏模量、结合力和平均摩擦系数分别约为27 GPa、327 GPa、30 N和0.289。
【文章来源】：表面技术. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同Si含量CrSiN涂层的三维表面形貌
采用纳米划痕技术（Nano-scratch）测试了四种不同Si含量的CrSiN涂层的结合强度，测试结果如图5所示。从图5可以看到，涂层结合力呈现与涂层硬度相似的规律。随着Si含量的增加，涂层结合力先增大后减小，并在Si含量为18.5%时涂层的结合力达到最大。Si含量较低时，涂层结构疏松、硬度较低，涂层与基体之间的结合强度也较弱。随着涂层中Si含量的进一步增加，涂层中Si3N4非晶相增多，涂层晶粒细化，涂层逐渐趋于平整致密化，涂层中存在较少缺陷，这在一定程度上提高了涂层内聚力，因此涂层与基体之间的结合力增加。当涂层中Si含量增加到24.6%时，涂层虽仍为纳米晶与非晶相共存的复合结构，但不同物相之间的热物理性能不匹配及涂层中存在的大颗粒等缺陷（图2d）增多，这两者都不利于涂层内聚力，因此涂层与基体之间的结合强度随着Si含量的增加而降低，这也是涂层过早失效的主要原因。综上所述，过低或过高的Si含量均不利于CrSiN涂层的综合性能，合适的Si含量可以使CrSiN涂层保持纳米晶与非晶共存的复合结构，同时使涂层表面均匀、致密、光洁。在本研究中，Si含量为18.5%时，CrSiN涂层具有最佳的综合力学性能。2.4 涂层摩擦磨损性能
图7给出了四种CrSiN涂层摩擦磨损后的表面形貌。从图7可以看出，随着Si含量的增加，涂层磨痕宽度先变窄后变宽，涂层磨损破坏程度先降低后增加。Si含量分别为8.5%和24.6%的涂层磨损破坏最为严重。Si含量为8.5%的涂层由于具有最大的平均摩擦系数和表面粗糙度，其耐磨性能最差，涂层表面可以清晰地观察到磨损犁痕；Si含量为24.6%的涂层虽然具有较低的表面粗糙度，但是涂层综合力学性能较差，因此该涂层也具有较差的耐磨性能。Si含量分别为12.7%和18.5%的涂层基本上没有被磨损，在涂层表面仅观察到轻微的磨痕，特别是Si含量为18.5%的CrSiN涂层。虽然Si含量分别为12.7%和18.5%的两种涂层具有相近的平均摩擦系数，但是Si含量为18.5%的涂层磨痕比Si含量为12.7%的涂层磨痕更窄也更浅。一方面是因为这两种涂层虽具有相近的表面粗糙度和结合力，但Si含量为18.5%的涂层具有较高的显微硬度；另一方面，Si含量较高的涂层中，Si在摩擦过程中可能与空气中的氧气和水蒸气反应，生成更多的具有自润滑作用的SiOx或Si(OH)4薄膜[17-19]，因此高Si含量的涂层的耐磨性能更优。综上所述，本文中Si含量为18.5%的CrSiN涂层具有最优的耐磨性能。3 结论
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率脉冲和脉冲直流磁控共溅射CrAlN薄膜的研究[J]. 郭玉垚,王铁钢,李柏松,刘艳梅,蒙德强,许人仁. 表面技术. 2019(04)
[2]温度对复合CrTiAlN涂层摩擦磨损性能的影响[J]. 楼白杨,王肖璟,周艳,徐斌,李晓,吴旻. 稀有金属材料与工程. 2018(03)
[3]N2流量对等离子体增强磁控溅射TiN涂层的影响[J]. 谢启,付志强,岳文,王成彪. 表面技术. 2017(06)
[4]表面织构化刀具的研究现状与进展[J]. 郝秀清,宋晓路,李亮. 表面技术. 2016(09)
[5]Si含量对CrSiN涂层结构和性能的影响[J]. 贾丛丛,王恩青,葛芳芳,黄峰,李朋,鲁晓刚. 表面技术. 2016(01)
[6]CrTiAlN涂层在800℃和900℃时对H13钢氧化性能的影响[J]. 张豪,许向敏,费晓燕,多树旺. 人工晶体学报. 2013(12)
[7]CrSiN纳米复合薄膜的摩擦学性能[J]. 王海新,耿中荣,张广安. 中国表面工程. 2013(05)
本文编号：3414365
【文章来源】：表面技术. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同Si含量CrSiN涂层的三维表面形貌
采用纳米划痕技术（Nano-scratch）测试了四种不同Si含量的CrSiN涂层的结合强度，测试结果如图5所示。从图5可以看到，涂层结合力呈现与涂层硬度相似的规律。随着Si含量的增加，涂层结合力先增大后减小，并在Si含量为18.5%时涂层的结合力达到最大。Si含量较低时，涂层结构疏松、硬度较低，涂层与基体之间的结合强度也较弱。随着涂层中Si含量的进一步增加，涂层中Si3N4非晶相增多，涂层晶粒细化，涂层逐渐趋于平整致密化，涂层中存在较少缺陷，这在一定程度上提高了涂层内聚力，因此涂层与基体之间的结合力增加。当涂层中Si含量增加到24.6%时，涂层虽仍为纳米晶与非晶相共存的复合结构，但不同物相之间的热物理性能不匹配及涂层中存在的大颗粒等缺陷（图2d）增多，这两者都不利于涂层内聚力，因此涂层与基体之间的结合强度随着Si含量的增加而降低，这也是涂层过早失效的主要原因。综上所述，过低或过高的Si含量均不利于CrSiN涂层的综合性能，合适的Si含量可以使CrSiN涂层保持纳米晶与非晶共存的复合结构，同时使涂层表面均匀、致密、光洁。在本研究中，Si含量为18.5%时，CrSiN涂层具有最佳的综合力学性能。2.4 涂层摩擦磨损性能
图7给出了四种CrSiN涂层摩擦磨损后的表面形貌。从图7可以看出，随着Si含量的增加，涂层磨痕宽度先变窄后变宽，涂层磨损破坏程度先降低后增加。Si含量分别为8.5%和24.6%的涂层磨损破坏最为严重。Si含量为8.5%的涂层由于具有最大的平均摩擦系数和表面粗糙度，其耐磨性能最差，涂层表面可以清晰地观察到磨损犁痕；Si含量为24.6%的涂层虽然具有较低的表面粗糙度，但是涂层综合力学性能较差，因此该涂层也具有较差的耐磨性能。Si含量分别为12.7%和18.5%的涂层基本上没有被磨损，在涂层表面仅观察到轻微的磨痕，特别是Si含量为18.5%的CrSiN涂层。虽然Si含量分别为12.7%和18.5%的两种涂层具有相近的平均摩擦系数，但是Si含量为18.5%的涂层磨痕比Si含量为12.7%的涂层磨痕更窄也更浅。一方面是因为这两种涂层虽具有相近的表面粗糙度和结合力，但Si含量为18.5%的涂层具有较高的显微硬度；另一方面，Si含量较高的涂层中，Si在摩擦过程中可能与空气中的氧气和水蒸气反应，生成更多的具有自润滑作用的SiOx或Si(OH)4薄膜[17-19]，因此高Si含量的涂层的耐磨性能更优。综上所述，本文中Si含量为18.5%的CrSiN涂层具有最优的耐磨性能。3 结论
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率脉冲和脉冲直流磁控共溅射CrAlN薄膜的研究[J]. 郭玉垚,王铁钢,李柏松,刘艳梅,蒙德强,许人仁. 表面技术. 2019(04)
[2]温度对复合CrTiAlN涂层摩擦磨损性能的影响[J]. 楼白杨,王肖璟,周艳,徐斌,李晓,吴旻. 稀有金属材料与工程. 2018(03)
[3]N2流量对等离子体增强磁控溅射TiN涂层的影响[J]. 谢启,付志强,岳文,王成彪. 表面技术. 2017(06)
[4]表面织构化刀具的研究现状与进展[J]. 郝秀清,宋晓路,李亮. 表面技术. 2016(09)
[5]Si含量对CrSiN涂层结构和性能的影响[J]. 贾丛丛,王恩青,葛芳芳,黄峰,李朋,鲁晓刚. 表面技术. 2016(01)
[6]CrTiAlN涂层在800℃和900℃时对H13钢氧化性能的影响[J]. 张豪,许向敏,费晓燕,多树旺. 人工晶体学报. 2013(12)
[7]CrSiN纳米复合薄膜的摩擦学性能[J]. 王海新,耿中荣,张广安. 中国表面工程. 2013(05)
本文编号：3414365
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