氮化物硬质涂层中Cr、Ti和Al元素对摩擦磨损特性的影响

　　利用四靶闭合场非平衡磁控溅射(CFUBMS)技术在石英玻璃和抛光不锈钢片两种基底上制备含有Cr、Ti和Al元素组合的各种氮化物涂层。采用摩擦磨损仪测试涂层摩擦系数,应用金相显微镜对各个涂层磨痕形态进行分析,结果表明TiN、CrN、TiAlN、CrAlN以及CrTiAlN涂层的摩擦系数依次减小,耐磨特性依次提高;结合涂层的X射线光电子能谱分析,可以得到含有Al元素涂层中形成了AlN的结构,提高涂层的硬度,增加耐磨特性;在涂层中含有Cr元素形成了氧化物Cr2O3可以提高涂层自排屑能力,减小摩擦系数,增加耐磨特性,含Ti元素形成的氧化物TiO2则不利于涂层的摩擦磨损特性;由于CrTiAlN本身具有比三元氮化物更高的涂层硬度,且含有Al和Cr元素,因此该涂层具有最好的摩擦磨损性能。

　　现代工业生产中各种机械切削和耐磨损部件对硬度、耐磨性、抗氧化性等综合机械性能的要求不断提高，使得各种硬质涂层技术应运而生，并被广泛的应用。

　　目前，硬质涂层主要集中在过渡族元素的碳、氮和氧化物，因为它们具有高硬度、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化等优点。其中以Ti和Cr 两种金属元素为基础开发的涂层种类最多，且研究最多，应用最广，构成了PVD 过渡族元素化合物中最大的两个涂层体系，即Ti 基和Cr 基涂层体系。其中，二元涂层CrN 具有韧性高、耐磨性好、膜与基体结合强度高、抗高温氧化性和抗腐蚀性好，以及内应力低（膜层可以做到厚达50 μm)等优点，近年来成为研究的热门，并已在切削刀具(尤其是有色金属切削)、模具、汽车、餐具、防腐和装饰等领域取得了很好的应用效果。而二元的TiN 涂层具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性的特点，被广泛应用于刀具和装饰涂层。TiN 的显微硬度高于CrN (CrN 约HV1750，TiN 约HV2300)，但CrN 抗氧化性、韧性高于TiN，随着工业的进一步发展，单一的二元涂层很难满足工业上提出的新要求，因此多元多层涂层是目前研究的热点课题。

　　Ti 基和Cr 基氮化物涂层多元技术研究涉及到的金属元素有很多种，其中最具代表性的当属于Al 元素。Al 的加入使TiN 和CrN 形成的三元TiAlN 和CrAlN，或四元TiCrAlN 涂层在硬度、耐高温和耐磨损性能上都有明显的提高。目前，对于不同元素组合的氮化物涂层的应力、硬度、弹性模量密度等进行了详细的研究。但有关文献对于添加不同金属元素对摩擦系数的影响缺乏系统的研究，尤其是添加不同金属元素后摩擦系数没有系统的相对比较研究。

　　本文针对CrN 和TiN，以及加入Al 元素后形成的TiAlN、CrAlN 和CrTiAlN 涂层的摩擦系数进行了综合对比研究，得到氮化物涂层含有不同金属元素时，对摩擦系数的影响关系，对于指导设计不同的膜系结构，提高膜层的摩擦特性，开发新工艺和应用都具有重要的参考价值。

实验

实验装置

　　采用四靶闭合场非平衡磁控溅射真空镀膜机进行实验样品制备，为了能够方便地添加不同的金属元素，镀膜机选用四个单质靶材，分别为Cr、Ti、Cu 和Al 靶，如图1 所示。靶电流可以通过调节靶功率大小来控制。

　　单质靶材与合金靶相比，其优点是可以通过调节靶功率控制靶电流，从而控制掺杂不同元素的成分，缺点是可调节参数多，稳定性差。

　　通过对几种氮化物涂层的摩擦磨损结果分析，综合比较得到如下结论：

　　(1) 含Cr 元素的氮化物涂层，摩擦磨损中Cr的氧化物可以提高涂层的自排屑能力，使薄膜具有一定的自润滑特性；然而含有Ti 元素的氮化物涂层中易于形成耐磨性差，自排屑性能差的TiO2，因此，Cr 元素的氮化物涂层摩擦磨损特性明显好于含Ti 元素的涂层；

　　(2) 加入Al 元素后，由于Al 元素在氮化物涂层中与N 结合形成AlN，这会显著减小晶粒尺寸，提高薄膜硬度，增加涂层耐磨特性；

　　(3) Cr，Al，Ti 元素的三元和四元的氮化物涂层较其二元的氮化物具有较高的硬度，同时具有更好的耐磨特性与较小的摩擦系数，特别是四元氮化物CrTiAlN 的摩擦磨损性能在几种涂层中最优。这对实际工业生产与涂层应用也有着积极的指导意义。