CrCN涂层在不同沉积温度下的摩擦学性能研究

利用多弧离子镀技术,在乙炔和氮气环境下,设定不同沉积温度(150℃、250℃、350℃、450℃),在316L不锈钢及单晶硅片上沉积Cr CN涂层,通过XRD、XPS、SEM、纳米压痕仪和UMT-3多功能摩擦磨损试验机等涂层的微观结构、力学性能和摩擦学性能进行表征.结果表明:随着沉积温度的升高,Cr CN涂层的硬度和模量呈现出递增的趋势,在沉积温度为450℃时达到最高,分别为24 GPa和354 GPa;摩擦系数和磨损率则呈现出先递减后递增的趋势,在沉积温度为350℃时达到最低,摩擦系数在大气和水环境下分别为0.38和0.23,磨损率在大气和水环境下则分别为1.717 1×10-6mm3/N·m和9.529 7×10-7mm3/N·m.同时,涂层在水环境中的摩擦系数和磨损率均低于大气环境中,说明水分子在摩擦过程中起到了较好的润滑作用.

多弧离子镀制备的CrCN涂层组织及摩擦磨损性能

采用多弧离子镀技术在硅片和316L不锈钢上制备了CrN和CrCN涂层,利用扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)对其表面形貌及成分进行表征,采用纳米压痕仪、划痕测试仪及摩擦磨损试验机测试涂层力学及摩擦学性能,观察试样磨损形貌,并分析其磨损机理。结果表明:较之于CrN涂层,所制备的CrCN涂层具有更均匀、致密的结构,与基体结合良好;涂层主要成分为Cr、C和N,其中C元素主要以sp2、sp3和C—Cr键的形式存在;CrCN涂层中由于强化相Cr7C3的产生和杂化C的形成等多种强化作用,显著提高了其硬度和耐摩擦磨损性能。

乙炔流量对多弧离子镀CrCN涂层显微组织和性能的影响

使用多弧离子镀技术在不同乙炔流量(75,125,200,400mL·min^(-1))下在SKD11模具钢表面制备了CrCN涂层,研究了乙炔流量对涂层显微组织、硬度、结合性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着乙炔流量的增加,CrCN涂层的表面粗糙度和厚度先增后降,硬度和结合力均呈现下降的趋势;当乙炔流量较低时,CrCN涂层有良好的排磨屑能力;当乙炔流量增加至400mL·min^(-1)时,涂层出现层状裂纹;涂层的磨损机制为轻微的磨粒磨损和黏着磨损。

不同偏压下Cr/CrCN涂层在3.5%NaCl环境下的电化学及摩擦学行为

研究通过电弧离子镀方法在304L不锈钢及Si片上沉积Cr/CrCN涂层,通过改变基体偏压(30 V,60 V,90 V,120 V)来探讨涂层在3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液中的电化学与摩擦学行为。研究结果表明:随着基体偏压的增加,涂层的硬度呈现递增的趋势,在基体偏压为120 V时达到最高,约为29 GPa;而临界载荷、韧性及耐蚀性则呈现先递增后递减的趋势,在基体偏压为90 V时达到最佳;当基体偏压由30 V上升到90 V时,涂层在3.5%NaCl溶液中的摩擦系数和磨损率分别由0.34和1.78×10^-6mm^3/Nm下降为0.21和7.8×10^-7mm^3/Nm,当基体偏压进一步上升时,涂层的摩擦磨损性能则开始下降。基体偏压对Cr/CrCN涂层在3.5%NaCl中的电化学与摩擦学行为有着重要影响,基体偏压为90 V时涂层的防腐耐磨性能最为优异。

甘油润滑下CrCN涂层的超低摩擦特性

为开发与CrCN涂层具有良好配伍润滑性能的绿色润滑剂,使用磁控溅射技术在304不锈钢表面沉积CrCN涂层,利用场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜、纳米压痕仪、维氏硬度计、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪分别对其表面形貌、涂层厚度、力学性能、物相组成以及元素化学价态进行分析,并借助多功能摩擦磨损试验机评价在甘油润滑下CrCN涂层的摩擦学性能,并与PAO6润滑下结果进行比较。利用磁控溅射技术在不锈钢表面构筑的CrCN涂层表面光滑致密,粗糙度仅为1.01 nm,硬度可达14.39 GPa。对比钢-钢和钢-CrCN体系的摩擦学性能发现,钢-CrCN体系在甘油润滑下展现出优异的润滑性能;当负载为0.5 N时,钢-CrCN体系在甘油润滑下的摩擦因数可低至0.01,大大低于PAO6润滑下的摩擦因数。对磨痕的XPS分析表明,在摩擦过程中,甘油发生摩擦化学反应,在CrCN涂层的接触表面生成一层FeOOH层,甘油分子及其降解产物可能进一步吸附在FeOOH层,形成流体润滑层,有效降低了摩擦和磨损。

不同碳含量掺杂对多弧离子镀CrCN涂层摩擦学性能的影响

采用多弧离子镀技术在304不锈钢和单晶硅片上沉积Cr CN涂层,通过改变乙炔流量（20-60 sccm）来控制涂层中的碳含量,利用SEM、XRD、XPS、纳米压痕仪、划痕测试仪及摩擦磨损试验对涂层的微观结构及性能进行了对比研究,分析了不同碳元素的含量对涂层组成及性能的影响。结果表明,随着碳含量的增加,各衍射峰整体呈现出下降趋势,涂层由晶态向非晶态转变,化学成分出现明显变化;当乙炔流量为40 sccm时,硬度、弹性模量和结合力达到最高,分别为25 GPa、345 GPa及77 N。与此同时,随着乙炔流量的增加,涂层的摩擦因数及磨损率呈现出先递减后递增的趋势,在乙炔流量为40 sccm时达到最低,涂层表现出较优异的摩擦学性能。

不同沉积温度下CrCN涂层的力学性能

使用磁控溅射技术在304不锈钢表面制备CrCN涂层,研究了沉积温度(200、250、300、350和400℃)对涂层结构及力学性能的影响。研究表明,沉积温度为250℃时,涂层的晶粒尺寸及表面粗糙度最大,但随着沉积温度的进一步升高,涂层的晶粒逐渐细化,表面粗糙度明显下降;同时涂层硬度伴随沉积温度的升高出现先增大后减少的趋势,沉积温度为350℃时,薄膜具有最高的硬度(22.85 GPa),抗弹性形变和抗塑性形变能力最好,体现出优异的力学性能。

不同基体CrN/CrCN多层涂层海水环境摩擦学性能研究

为研究不同基体材料对CrN/CrCN多层涂层在海水环境下摩擦学性能的影响,采用多弧离子镀技术在H65铜合金、TC4钛合金和316L不锈钢基体上沉积CrN和CrN/CrCN多层复合涂层,通过XRD、SEM等技术对涂层的结构进行表征,通过结合力、硬度测试和摩擦磨损试验分析涂层在大气环境和海水环境下的力学性能和摩擦学性能。结果表明:CrN/CrCN多层涂层的内应力相对于CrN明显减小,且硬度相对CrN涂层较高;TC4钛合金为基体的涂层结合力较好且涂层硬度较高;在海水环境下涂层的摩擦因数相对于大气环境都有较大幅度下降,其中,以TC4钛合金和316L不锈钢为基体的涂层摩擦因数较小;以H65铜合金为基体的2种涂层在海水中的磨损率高于大气中,而以TC4合金、316L不锈钢为基体的CrN/CrCN多层涂层在海水环境下的磨损率低于大气环境;TC4钛合金为基体的CrN/CrCN多层涂层在海水环境下具有最低的磨损率,表明TC4钛合金更适合作为海水环境下CrN/CrCN多层涂层耐磨的基体材料。