CrN/TiAlN多层涂层的微观结构和摩擦磨损性能

特种装备车辆往往在高速、高冲击等复杂环境下运行,底盘选装密封件表面容易被磨损造成密封失效,在密封工作面制备硬质涂层是提高服役寿命、延长维修周期的重要方法。采用物理气相沉积法在45#钢表面制备单层CrN涂层和不同过渡层厚度的多层CrN/TiAlN涂层,用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、表面轮廓仪、纳米压痕仪和往复式摩擦磨损试验机,研究涂层的微观结构、机械性能和摩擦磨损性能。结果表明单层CrN涂层厚度为0.87μm,其硬度和模量最小为19.49 GPa和160.53 GPa。CrN/TiAlN多层涂层的硬度和模量明显提高,且随过渡层厚度增加而增大,4CrN/TiAlN涂层的硬度和模量可达到39.86 GPa和386.72 GPa。在空气环境下的摩擦磨损试验中,单层CrN涂层被快速破坏;CrN/TiAlN多层涂层的平均摩擦因数随着过渡层厚度的增加先增大后减小,最大磨损深度和磨痕截面积不断下降。4CrN/TiAlN涂层具有最优摩擦磨损性能,其平均摩擦因数为0.792 5,磨痕截面积为315.09μm^(2),磨损机理为磨粒磨损和少量粘着磨损。提高过渡层厚度能够降低基体的塑性变形,降低涂层与基体的物理性能差异,减少涂层开裂并提高涂层摩擦磨损性能。通过调控过渡层厚度获得性能优异的CrN/TiAlN多层涂层,研究成果可应用于车辆旋转密封件上,显著提高密封工作面耐磨损性能。

CrN涂层制备中氮气比例对耐磨抗黏附性能的影响

采用多弧离子镀技术在38CrMoAl样片表面制备CrN涂层,利用扫描电子显微镜、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、X射线衍射仪及接触角测量仪,研究了氮气比例对CrN涂层耐磨抗黏性能的影响。结果表明,随着氮气比例的增加,CrN涂层由Cr、Cr_(2)N和CrN的混合相向CrN单相转变;CrN涂层磨损率远低于基体磨损率,CrN⁃65涂层的磨损率最低仅为1.01×10^(-6)mm^(3)/(N·m),低于基体磨损率一个数量级。所有CrN涂层表面均表现出疏水性;聚碳酸酯(PC)熔体高温接触角试验中,CrN⁃15涂层与PC熔体的高温接触角最高为110.8°,高于基体的102.2°;经过低温退火处理后,所有表面与PC熔体的高温接触角均降低,但是CrN⁃15涂层退火后仍能保持最高的高温接触角(102.9°),明显高于退火后基体的高温接触角(85.3°),表现出最佳的抗黏附性能。CrN⁃15涂层表现出较好的耐磨性和抗黏附性,综合性能较好,为CrN涂层在塑料加工螺杆和注塑模具表面应用提供一定的技术支撑。

不同黏度合成油下CrN/TiN多层薄膜的摩擦学特性研究

目的探究在不同黏度合成酯润滑油的作用下,CrN/TiN多层薄膜的摩擦学性能及协同润滑机制。方法选用聚α烯烃(PAO)与三羟甲基丙烷辛癸酸酯(TME)复配,得到不同黏度梯度的合成油。利用全自动黏度测定仪、倾点测试仪、开口闪点测定器和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分别对合成油的运动黏度(40、100℃)、倾点、闪点和表面官能团进行表征。利用反应磁控溅射技术在316不锈钢和单晶硅片基底表面制备CrN/TiN多层薄膜。采用X射线衍射仪和FIB-TEM表征手段对薄膜的微观结构进行分析,并用纳米压痕仪和划痕仪测试了薄膜的力学性能。利用球-盘式摩擦试验机表征薄膜在干摩擦和油润滑条件下的摩擦学性能,利用XPS对摩擦实验后的磨痕元素价态进行表征。结果CrN/TiN薄膜具有典型的面心立方结构(FCC)、异质多层结构,且其硬度可达32.2 GPa。在干摩擦条件下,与裸316基体相比,经表面镀制CrN/TiN薄膜后平均摩擦因数由0.95降至0.71,磨损深度由25.0μm降至16.8μm。在合成油作用下,316不锈钢-GCr15钢球(钢-钢摩擦副)、CrN/TiN多层薄膜-GCr15钢球(CrN/TiN多层薄膜-钢摩擦副)2种摩擦配副的摩擦因数和磨损率随着合成油黏度的增加均呈现降低趋势,且在同一黏度条件下薄膜试样的磨损率更低。结论CrN/TiN多层薄膜在PAO与TME复配获得的一系列不同黏度合成油的作用下,随着合成油黏度的增加,薄膜的磨损率和磨损深度逐渐下降,其减摩抗磨性能得到显著提升。通过磨痕表面的XPS分析可知,合成油中极性的酯基吸附在滑动界面,增强了油膜的承载性能,从而减缓了对偶间的摩擦阻力。

沉积温度对CrN涂层干摩擦及大豆油润滑下摩擦学性能的影响

为探究沉积温度对CrN涂层摩擦学性能的影响,同时寻找适合CrN涂层润滑的绿色润滑剂,采用磁控溅射技术在不同温度下制备CrN涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、AFM原子力显微镜、划痕仪、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机评价涂层的微观结构、力学性能,以及在干摩擦及大豆油润滑条件下的摩擦磨损性能。结果表明:在250℃下沉积的CrN涂层具有最致密的晶状结构,且力学性能最优。摩擦试验结果显示,在干摩擦和大豆油润滑下250℃下沉积的CrN涂层表现出最优的摩擦学特性。XPS分析表明,由于摩擦的存在,大豆油会在涂层表面发生摩擦化学反应并生成一层化学吸附膜,从而能有效减轻涂层的摩擦和磨损。250℃下沉积的CrN涂层具有最优的力学及摩擦学性能,且大豆油极为适合CrN涂层的润滑。

SUS321不锈钢表面Cr/CrN涂层的制备与抗氧化及耐腐蚀研究

采用磁控溅射技术,在SUS321不锈钢表面制备Cr/Cr N涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及分析天平等分别表征样品高温氧化及酸性盐雾腐蚀实验后的微结构及增重。结果表明,当磁控溅射气体分压比为P_(Ar)/P_(N_(2))=3∶1的涂层样品抗氧化性能及耐腐蚀性能最佳。在此基础上通过循环沉积制备了多层Cr/CrN涂层,6周期涂层样品在600℃氧化200 h后的单位面积增重为3.599 g/m^(2),表面氧化膜致密,没有出现剥落现象;6周期的涂层样品在酸性盐雾环境中能够保持480 h表面无变化,在放置500 h后边缘部位才开始出现轻微锈迹。固定磁控溅射气体分压比为P_(Ar)/P_(N_(2))=3∶1时,制备的6周期Cr/CrN多层膜涂层具有最佳的抗氧化及耐酸性盐雾腐蚀性能。

Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜对TC4钛合金力学性能的影响

为了提高钛合金基体的表面抗冲蚀性能,并研究Cr基多层膜对钛合金基体的疲劳力学性能的影响,采用真空阴极电弧沉积技术在TC4钛合金表面沉积3.99,6.85,9.62μm 3种厚度的Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜。主要通过拉伸试验和轴向加载疲劳试验,研究对比了室温下TC4钛合金基体与膜层试样的轴向拉伸性能和轴向高低周疲劳性能。结果表明:在TC4钛合金表面所制备的3种Cr-CrN-Cr-CrAlN多层膜的厚度分别约为3.99、6.85和9.62μm,硬度分别为2455、3024和3578 HV,膜基结合力则分别为12.4、15.2和20.1 N。镀多层膜后提高了TC4钛合金的拉伸屈服强度、抗拉强度和弹性模量,而降低了断裂伸长率。经镀6.85μm的多层膜后,TC4钛合金的轴向高周疲劳极限下降了4.15%,镀膜对高周疲劳性能影响较小;而低周疲劳性能影响则较大,50000次寿命对应的疲劳强度降低了约21.04%。

CrN活塞环涂层的摩擦学性能

以PVD方法在不锈钢渗氮活塞环基体上沉积了厚约 30μm的CrN涂层。采用 2种GF-3等级的全配方发动机油作为润滑剂,在SRV试验机上,对比了具有 /没有CrN涂层的不锈钢渗氮活塞环的摩擦学性能。试验结果表明,CrN涂层能使摩擦因数数较快的稳定且数值较低,同时活塞环及其对磨缸套的磨损量也大大降低,对磨缸套的磨损量减少了80%以上。SEM分析结果表明,由于CrN涂层具有较高的硬度和较低的表面粗糙度,可以降低磨粒磨损,且能使对磨的缸套试样较快地与之适配,从而促进了摩擦反应膜的形成和扩展,是摩擦因数和磨损量降低的主要原因。

CrN和CrAlN薄膜的微观结构及在不同介质中的摩擦学性能

采用中频非平衡反应磁控溅射技术在单晶硅P(111)和不锈钢(1Cr18Mn8Ni5N)基材上制备了CrN和CrAlN薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和纳米压痕仪对薄膜的相结构、化学组成、表面形貌、断面结构和力学性能进行了测试分析。利用球-盘式摩擦磨损试验机(CSM)考察了两种薄膜在不同介质(空气、自来水、oil-1(TAO-40)及oil-2(150BS))中和Al2O3球对磨的摩擦学性能。结果表明:CrN薄膜中Al元素的掺杂并未改变薄膜晶体结构,但却降低了薄膜的表面粗糙度、增强了薄膜的致密性、提高了薄膜的力学性能、改善了水润滑和油润滑条件下薄膜的摩擦学性能。由于CrN和CrAlN薄膜的摩擦磨损性能显著依赖于测试介质,因此重点讨论了它们在不同介质中的摩擦磨损机理。

CrN和CrAlN涂层海水环境摩擦学性能研究

采用多弧离子镀在316L不锈钢上沉积CrN和CrAlN涂层.采用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构,并用纳米压痕和划痕仪测试其硬度和结合力.采用UMT-3往复式摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试.结果表明:CrN和CrAlN涂层在海水中摩擦系数相差不大,而316L摩擦系数明显大于涂层,且摩擦系数震荡剧烈,表明316L在海水中润滑性较差.涂层在海水中磨损率远小于316L,且CrAlN涂层比CrN涂层在海水环境中具有更优的耐磨性.CrN涂层的磨痕表面出现大量剥落坑,这是由于CrN涂层表面的大颗粒剥落形成的.而CrAlN涂层致密的结构、较为优越的耐蚀性以及摩擦时产生的具有自润滑效果的Al2O3保护层,使其在硬度值较低的情况下仍具有优异的耐磨性.因此海水环境中摩擦性能需综合考虑材料的机械性能、结构、耐蚀性以及耐磨性.

磁控溅射CrN_x薄膜的制备与力学性能

采用反应磁控溅射法在不同的氮分压下制备了一系列CrNx 薄膜 ,并利用EDS和XRD表征了薄膜的成分和相组成 ,采用力学探针测量了薄膜的硬度和弹性模量。研究了氮分压对薄膜成分、相组成和力学性能的影响。结果表明 ,随氮分压的升高 ,薄膜的沉积速率明显降低 ;薄膜中的氮含量增加 ,相应地 ,相组成从Cr +Cr2 N过渡到单相Cr2 N ,再逐步经Cr2 N +CrN过渡到单相CrN ,并在Cr :N原子比为 1∶2和 1∶1时 ,薄膜的硬度出现极值 (HV2 7.1GPa和HV2 6.8GPa) ,而薄膜的弹性模量则在Cr2 N时呈现 3 5 0GPa的最高值。

直管磁过滤弧离子镀CrN涂层改善304不锈钢表面性能研究

采用直管磁过滤弧离子镀在304不锈钢表面沉积CrN单一涂层和Cr/CrN复合涂层,分别运用X射线衍射仪、光学显微镜、显微硬度计、摩擦磨损仪测试分析了其组成结构及复合涂层的表面机械性能。结果表明:直管磁过滤弧离子镀Cr/CrN复合涂层呈现出致密、均匀的表面形貌,且具有高硬度、低摩擦系数等优异的表面机械性能,显著提高了304不锈钢表面的耐摩擦磨损特性。

合金铸铁缸套与PVD(CrN)活塞环配对时缸套磨损机理

针对合金铸铁缸套与物理气相沉积(PVD)(CrN)活塞环配对副开展摩擦磨损试验,通过观察缸套试样在不同负荷、不同磨损时间下的表面形貌及成分,研究合金铸铁缸套与PVD(CrN)环配对时,缸套的磨损机理.研究表明:采用PVD(CrN)环与合金铸铁缸套配对,可在保证缸套磨损量略微降低的前提下,使活塞环的磨损量大幅度降低;缸套磨损表面呈现连续片状的平台形貌,无明显黏着磨损痕迹.其磨损发生的机理:缸套基体在法向负荷的作用下,发生塑性变形,在摩擦力的反复作用下,塑性流动层被挤压出接触平台表面,流动薄层在缺陷处或应力集中处发生开裂、脱落,形成磨屑.

弧电流对电弧离子镀CrN硬质涂层组织性能的影响

采用电弧离子镀技术在钛合金表面制备CrN涂层,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及透射电镜(TEM)分析了弧电流对涂层组织结构以及力学性能的影响。结果表明,随着弧电流的升高,涂层沉积速率增大,表面熔滴的数量及尺寸增大,表面平整度明显下降。不同弧电流条件下均沉积出CrN单相涂层。弧电流改变了粒子、离子的轰击作用,从而影响到涂层表面的能量状态,CrN涂层的择优生长由(111)变为(200),(220)。随着弧电流的增加,CrN涂层的硬度先增大后减小,而涂层与基材间的结合力以及涂层的摩擦系数逐渐增大。弧电流为65A时涂层生长具有较高的沉积速率和较低的沉积温度,可获得尺寸较小的涂层组织。

CrN基复合薄膜的结构及摩擦磨损性能研究

采用反应磁控溅射法制备了CrN、CrSiN与CrAlN复合薄膜,分析了复合薄膜的微观结构,并考察了3类薄膜的摩擦磨损性能.结果表明:所制备的薄膜晶体结构没有随着Si或Al的加入发生转变,仍然为面心立方结构.CrAlN复合薄膜为合金复合薄膜,其中Al以置换方式固溶于CrN中,取代了一部分Cr原子,形成固溶体;CrSiN复合薄膜为晶态CrN与非晶态Si3N4组成纳米复合结构.复合薄膜结构致密且硬度较CrN大幅提高,在摩擦磨损过程中具有较强的抗形变能力,能够有效阻止裂纹,抗摩擦磨损性能较CrN薄膜均有不同程度的提高.

不同掺Ag含量下高温(800℃)沉积CrN/Ag涂层的组织结构及其性能

为研究高温下掺入Ag的CrN涂层的组织性能,在沉积温度为800℃的条件下采用直流反应磁控溅射技术制备CrN/Ag硬质涂层。采用扫描电镜(SEM)、EDS能谱仪、X射线衍射(XRD)和维氏硬度计,综合分析了800℃沉积温度下,对不同Ag掺杂情况下CrN/Ag涂层的组织结构和性能特点,以及700℃热处理工艺对其的影响。结果表明,Ag添加导致CrN晶相生长由(200)择优取向向无择优取向转变,并使得CrN/Ag涂层表面粗糙化;少量Ag(7%(原子分数))添加可提高涂层硬度,过多Ag(21%(原子分数))添加明显降低涂层硬度;高温热处理(700℃/1h)后,纯CrN涂层的氧化并不明显,但是,随Ag含量增加,涂层氧化程度逐渐增加,且在高Ag(21%(原子分数))涂层中Ag溢出现象显著;涂层氧化及Ag溢出导致涂层硬度显著降低。

高功率脉冲磁控放电等离子体注入与沉积CrN薄膜研究

采用高功率脉冲磁控放电等离子体离子注入与沉积的方法在不锈钢基体上制备了高膜基结合力的CrN硬质薄膜,并研究了不同的Ar/N流量比对薄膜形貌、结构及性能的影响。采用扫描电子显微镜、X射线衍射对其表面形貌和结构进行分析,发现制备的薄膜表面光滑、致密,相结构单一,主要是CrN（200）相。对薄膜的结合力、硬度、弹性模量、耐磨性和耐腐蚀性的测试分析表明：薄膜与基体之间有很好的结合力,临界载荷最高可达68 N,同时硬度、弹性模量、耐磨性及耐腐蚀性都有很大提高,其中硬度最高达到23.6 GPa,是基体硬度的4.7倍,摩擦系数为0.5左右,且磨痕较窄、较浅,腐蚀电位最高提高0.32 V,腐蚀电流下降12个数量级。

CrN活塞环涂层的工艺制备与摩擦学性能研究

论文采用多弧离子镀技术在活塞环表面制备了CrN涂层,系统地研究了不同N2含量对CrN涂层的相结构和纳米硬度的影响规律。并采用CETR微动摩擦磨损试验机比较研究了Cr电镀层与CrN涂层的高温微动摩擦磨损性能,研究结果表明:随着N2含量的增加,薄膜由Cr2N(211)相过渡到CrN(220)相;膜层的纳米硬度随N2含量的增加而增大,并出现两个峰值;与Cr电镀层相比,CrN涂层主要以磨粒磨损为主,犁沟较窄且平滑,抗高温粘着磨损性能明显增强,而且摩擦系数较小,具有较好的摩擦匹配性能,更适合用于活塞环服役的高温磨损环境。

离子束增强沉积制备CrN_x薄膜

利用离子束增强沉积（ＩＢＥＤ）技术制备了ＣｒＮｘ薄膜。对不同能量氮离子轰击所制备的薄膜进行了Ｘ射线衍射、Ｘ射线光电子能谱分析、膜层断裂韧性以及摩擦学性能研究。试验结果表明，在相同试验条件下，氮离子轰击能量影响ＣｒＮｘ薄膜的相组成及取向，低能氮离子轰击所制薄膜具有较高的ＫＩＣ数值，且表现出更优异的摩擦学性能。

过滤电弧沉积的TiN/TiCrN/CrN/CrTiN多层膜

用过滤电弧技术在高速钢表面沉积了TiN/TiCrN/CrN/CrTiN多层膜 ,用扫描电镜 (SEM )观察了截面和断口形貌及划痕后的形貌。使用俄歇电子谱仪进行剥层成分分析 ,用纳米压痕仪测试了多层膜和单层膜的显微硬度和弹性模量。结果表明 ,在调制周期大于 10 0nm时 ,多层膜的显微硬度符合Hall Petch关系 ,在 80nm时 ,则脱离线性关系。划痕法测试多层膜的结合力达到 80N。

CrN硬质镀层对磨热固性塑料的摩擦学行为研究

采用封闭非平衡磁控溅射法制备了CrN硬质镀层,以热固性塑料PA66和ABS为其中一个摩擦副,在Pin-on-disc磨损试验机上测试了对磨CrN硬质镀层和M42高速钢时的摩擦系数。应用立体显微镜和扫描电子显微镜对摩擦副表面磨损轨迹的微观形貌及磨屑进行了观察和分析。结果表明:CrN硬质薄膜与M42高速钢对磨PA66和ABS塑料时,CrN硬质薄膜的摩擦系数要比高速钢小,而且数值稳定;塑料直接与高速钢对磨的摩擦系数波动较大。