阴极弧离子镀制备AlCrN涂层的高温摩擦磨损行为

2014-08-15 孔德军常州大学机械工程学院

　　采用阴极离子镀在TiC金属陶瓷刀具表面制备了AlCrN涂层，采用球/平面接触方式考察了900℃高温时不同载荷作下涂层的摩擦磨损行为。通过扫描电镜观察了磨痕轮廓和微观形貌，并用能量散射谱和X射线衍射分析了磨损后涂层表面化学元素和物相的变化，讨论了载荷对涂层摩擦因数和磨损性的影响。结果表明，经900℃高温氧化后，涂层中N元素全部释放，形成Al和Cr的氧化物，改善了润滑性能和磨损性能；在载荷600，800和1000g作用下，涂层摩擦因数平均值分别为0.1455，0.3939，0.4188，在载荷600g时表现出优良的摩擦特性，适用于精密切削加工；在高温下AlCrN涂层表现为氧化磨损，同时伴随着少量的磨粒磨损和黏着磨损。

　　随着高速、高精度和高效干切削的发展，表面涂层技术是有效地改善刀具性能的主要途径。CrN涂层具有高硬度、高耐磨性和低的摩擦因数等优点，广泛地应用于刀具表面改性处理，但是CrN涂层工作温度只有650℃，不适用于高温切削加工。CrN晶体为面心立方结构，加入Al原子后，会替换部分CrN中Cr原子，Al原子固溶到CrN晶体中，CrN晶体结构从面心立方转变为六方结构，对其微观结构、力学性能和磨损性能有显著的影响。

　　在高温下可以形成Cr2O3和Al2O3这两种致密氧化物，从而提高其热稳定性，抗氧化温度可以达到900℃，仍可以保持高硬度、高耐磨性、抗高温氧化和与基材附着力好的性能，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为适用于超大型齿圈的高效干切削。国内尚未见到AlCrN涂层高温摩擦擦磨损性能的报道。作者采用阴极弧离子镀法在TiC金属陶瓷刀具表面制备了AlCrN涂层，分析其在900℃高温下摩擦磨损行为，为超大型齿圈高效切削加工提供技术参考。

试验方法

　　基体材料为TiC基金属陶瓷刀具，采用纳米级TiN加入微米级TiC混合后经烧结制成，其中硬质相为TiC和TiN，粘接剂为Ni，其化学成分(质量比)：Ti51.26%，W19.55%，C12.92%，Ni7.63%，Co8.64%。试样经除油喷砂处理后，用丙酮溶液超声波清洗和无水乙醇脱水，恒温炉烘干后，在PVT镀膜机上进行镀膜。采用纯度为99.99%的Cr和Al为靶材，镀膜参数为：真空度3×10^-3 Pa，炉内温度500℃，反应气体为N2，镀膜时间120min。采用N2气保护，经180℃退火处理2h后，用丙酮在KQ2200DE型数控超声清洗，再采用去离子水超声清洗，最后用吹风机烘干即得所需试样。通过HT-1000型高温摩擦磨损试验机考察AlCrN涂层在900℃下摩擦-磨损特征，试验参数：载荷分别为600、800和1000g；温度为900℃，由30段可编程温度控制器调节，精度为0.2%FS(满量程)；对磨件为陶瓷球，摩擦半径3mm，旋转速度1000r/min。磨损试验结束后，用SUPRA55型扫描电镜观察涂层高温磨损前后表面形貌，并用扫描电镜(SEM)配置的电子能谱仪(EDS)和D/max2500PC型X射线衍射(XRD)仪分析高温磨损前后涂层化学组成和物相变化，研究高温条件下AlCrN涂层磨损失效机理。

结果分析与讨论

表面形貌与EDS分析

　　图1(a)为AlCrN涂层常温下表面形貌，表面的颗粒比较细小，其原因是Al靶溅射产额增加，导致涂层形核率增加。涂层表面较平整，存在许多大小不一的凹坑，这是由于离子轰击引起的涂层表面反溅射效应所致，在一定程度上使得涂层表面粗糙度有所降低。AlCrN涂层化学元素质量分数：Al36.72%，Cr36.11%，N27.18%；原子分数：Al34.06%，Cr17.38%，N48.56%，如图1(b)所示。AlCrN涂层成分为Al、Cr、和N三种元素，其原子数之比接近2：1：3。这说明涂层主要是由Al和Cr的氮化物组成，有利于提高涂层硬度和抗氧化性能。

AlCrN涂层表面形貌与EDS分析