CrWN涂层中W元素含量对涂层纳米硬度和热稳定性的影响

目的探究氮气退火环境下不同W含量Cr WN涂层微结构、纳米硬度及热稳定性能的演变规律。方法采用等离子增强磁控溅射技术,制备不同W含量的Cr WN涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕、原子力显微镜(AFM)等分析方法,系统研究退火前后涂层的微结构、表面质量、尺寸精度、纳米力学与热稳定性能。结果Cr WN涂层由面心立方结构的Cr N+W_(2)N相组成,Cr N层与W2N层交替沉积,并具有典型共格生长。随涂层中W含量的增加,涂层硬度从12.9 GPa增加至15.5 GPa,表面粗糙度降低,并趋于稳定。经过氮气环境退火后,随涂层中W含量的增加,与气氛中的微量杂质气体反应加剧,涂层硬度由13.5 GPa降低至5.2 GPa,表面氧化层WO3厚度增加,并导致涂层表面粗糙度和厚度增加。结论Cr WN涂层具有优异的表面质量及纳米力学性能,氮气退火过程中,氧化侵蚀反应导致Cr WN涂层表面粗化、体积膨胀和力学降解。随涂层中W含量的增加,退火涂层表界面微结构损伤与性能退化效应加剧,氧化损伤是Cr WN涂层玻璃精密模压成形应用中需考虑的关键因素之一。因此,Cr WN涂层作为光学玻璃精密模压成形模具涂层使用时,应在高真空度或高纯惰性气体环境下工作。

Cr基过渡层对CrWN涂层摩擦学性能的影响

本文探究了Cr过渡层及Cr-CrN过渡层对CrWN涂层耐磨性能的影响,制备具有良好的减磨耐磨性能的CrWN涂层。采用等离子增强磁控溅射工艺,在碳化钨基体表面制备CrWN涂层,Cr-CrWN涂层、Cr-CrN-CrWN涂层。通过扫描电子显微镜,X射线光电子能谱仪,X射线衍射仪,纳米压痕仪,洛氏硬度计和摩擦磨损实验机对涂层表面形貌、力学性能及摩擦磨损性能进行表征及分析。三种CrWN涂层均以面心立方结构的CrN相和W2N相构成。Cr-CrN-CrWN涂层的膜基结合强度最高,为HF1等级。CrWN涂层的硬度为21.5 GPa,引入Cr过渡层及Cr-CrN过渡层均未对涂层硬度及弹性模量造成显著影响。但通过摩擦磨损实验结果表明Cr过渡层及Cr-CrN过渡层均可降低涂层的摩擦系数并提高涂层的耐磨损性能,在稳定摩擦阶段CrCrWN涂层和Cr-CrN-CrWN涂层的摩擦系数分别为0.656,0.703,磨损率分别为1.366×10^(-6)mm^(3)/(N·m)、1.247×10^(-6)mm^(3)/(N·m);且磨损后磨痕表面无犁沟及裂纹,涂层未出现明显剥落。因此,Cr过渡层及Cr-CrN梯度过渡层可改善CrWN涂层的摩擦学性能及结合强度,并提高涂层的耐磨损性能。

N_(2)气压对CrWN涂层结构及性能影响

采用电弧离子镀技术制备CrWN涂层,研究沉积N_(2)气压对CrWN涂层的微观结构、形貌、沉积速率、硬度及摩擦学性能的影响。利用SEM,XRD和XPS检测/表征CrWN涂层的晶体结构、形貌及成分;利用硬度计、磨损仪和轮廓仪分别测试CrWN涂层的硬度、摩擦因数及磨损率。结果表明,CrWN涂层为面心立方结构,随着沉积N_(2)气压的升高,CrWN涂层的(111)和(200)衍射峰强度明显增强,涂层表面大颗粒数量和尺寸逐渐减小,沉积速率最高1.13mm/h;当N_(2)气压由0.5 Pa升高到1.0 Pa时,CrWN涂层的显微硬度(HV)由1900增大到2010,随着N_(2)气压进一步升高,CrWN涂层硬度有所降低;CrWN涂层平均摩擦因数稳定在0.5左右,在N_(2)气压2.0 Pa时磨损率达到最大值5.4×10^(-7) mm^(3)/(N·m),明显低于CrN涂层的摩擦因数0.7和磨损率6.7×10^(-7) mm^(3)/(N·m)。

CrN过渡层对CrWN涂层结构和力学性能的影响

为改善CrWN涂层力学性能,采用多弧离子镀技术,在硬质合金和不锈钢基底上沉积不同厚度CrN过渡层的CrWN涂层。分别采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、显微硬度计和摩擦磨损试验机对涂层的物相结构、表面及截面形貌、显微硬度、结合强度进行分析。结果表明:CrWN涂层主要呈CrN面心立方多晶结构,并含有W置换CrN晶格中的Cr后形成的固溶体。随着CrN过渡层厚度的增加,涂层表面大颗粒数量及尺寸逐渐增多,涂层内部缺陷增多。该工艺生产的CrWN涂层的显微硬度可达2000 HV以上,保证了涂层的硬质特性;膜基结合强度提升最为明显,带有过渡层的各参数下沉积的涂层样品均超过100 N。

纳米调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层结构和性能的影响

目的研究纳米调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层结构及性能的影响。方法采用电磁永磁共控的阴极电弧离子镀技术,使用纯N2和合金CrW靶及纯金属Mo靶,制备不同调制周期厚度的CrWN/MoN纳米多层涂层,对CrWN/MoN纳米多层涂层的物相结构、微观形貌、硬度、摩擦系数和磨损率等进行分析。结果CrWN/MoN纳米多层涂层由面心立方CrWN与六方d-MoN两相组成。随着调制周期减小,CrWN/MoN纳米多层涂层衍射峰强度逐渐减弱,d-MoN(202)衍射峰消失,涂层表面的大颗粒数量减少,表面质量得到改善。随着调制周期由45 nm减小到13 nm,涂层的硬度由29.4 GPa逐渐减小到25.5 GPa,当调制周期为8nm时,CrWN/MoN纳米多层涂层硬度与弹性模量均达到最大值,分别为30.2 GPa和354.6 GPa。随着调制周期的减小,CrWN/MoN纳米多层涂层平均摩擦系数由0.45逐渐减小到0.29,磨损速率由4.2×10-7mm3/(N·m)逐渐减小到3.3×10-7mm3/(N·m)。结论调制周期对CrWN/MoN纳米多层涂层性能影响较大,调制周期厚度为8 nm时,CrWN/MoN纳米多层涂层的硬度最大,耐磨性能最好。