陰極弧離子鍍制備AlCrN涂層的高溫摩擦磨損行為
采用陰極離子鍍?cè)赥iC金屬陶瓷刀具表面制備了AlCrN涂層，采用球/平面接觸方式考察了900℃高溫時(shí)不同載荷作下涂層的摩擦磨損行為。通過掃描電鏡觀察了磨痕輪廓和微觀形貌，并用能量散射譜和X射線衍射分析了磨損后涂層表面化學(xué)元素和物相的變化，討論了載荷對(duì)涂層摩擦因數(shù)和磨損性的影響。結(jié)果表明，經(jīng)900℃高溫氧化后，涂層中N元素全部釋放，形成Al和Cr的氧化物，改善了潤滑性能和磨損性能；在載荷600，800和1000g作用下，涂層摩擦因數(shù)平均值分別為0.1455，0.3939，0.4188，在載荷600g時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦特性，適用于精密切削加工；在高溫下AlCrN涂層表現(xiàn)為氧化磨損，同時(shí)伴隨著少量的磨粒磨損和黏著磨損。
隨著高速、高精度和高效干切削的發(fā)展，表面涂層技術(shù)是有效地改善刀具性能的主要途徑。CrN涂層具有高硬度、高耐磨性和低的摩擦因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于刀具表面改性處理，但是CrN涂層工作溫度只有650℃，不適用于高溫切削加工。CrN晶體為面心立方結(jié)構(gòu)，加入Al原子后，會(huì)替換部分CrN中Cr原子，Al原子固溶到CrN晶體中，CrN晶體結(jié)構(gòu)從面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和磨損性能有顯著的影響。
在高溫下可以形成Cr2O3和Al2O3這兩種致密氧化物，從而提高其熱穩(wěn)定性，抗氧化溫度可以達(dá)到900℃，仍可以保持高硬度、高耐磨性、抗高溫氧化和與基材附著力好的性能，適用于超大型齒圈的高效干切削。國內(nèi)尚未見到AlCrN涂層高溫摩擦擦磨損性能的報(bào)道。作者采用陰極弧離子鍍法在TiC金屬陶瓷刀具表面制備了AlCrN涂層，分析其在900℃高溫下摩擦磨損行為，為超大型齒圈高效切削加工提供技術(shù)參考。
試驗(yàn)方法
基體材料為TiC基金屬陶瓷刀具，采用納米級(jí)TiN加入微米級(jí)TiC混合后經(jīng)燒結(jié)制成，其中硬質(zhì)相為TiC和TiN，粘接劑為Ni，其化學(xué)成分(質(zhì)量比)：Ti51.26%，W19.55%，C12.92%，Ni7.63%，Co8.64%。試樣經(jīng)除油噴砂處理后，用丙酮溶液超聲波清洗和無水乙醇脫水，恒溫爐烘干后，在PVT鍍膜機(jī)上進(jìn)行鍍膜。采用純度為99.99%的Cr和Al為靶材，鍍膜參數(shù)為：真空度3×10^-3 Pa，爐內(nèi)溫度500℃，反應(yīng)氣體為N2，鍍膜時(shí)間120min。采用N2氣保護(hù)，經(jīng)180℃退火處理2h后，用丙酮在KQ2200DE型數(shù)控超聲清洗，再采用去離子水超聲清洗，z*后用吹風(fēng)機(jī)烘干即得所需試樣。通過HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察AlCrN涂層在900℃下摩擦-磨損特征，試驗(yàn)參數(shù)：載荷分別為600、800和1000g；溫度為900℃，由30段可編程溫度控制器調(diào)節(jié)，精度為0.2%FS(滿量程)；對(duì)磨件為陶瓷球，摩擦半徑3mm，旋轉(zhuǎn)速度1000r/min。磨損試驗(yàn)結(jié)束后，用SUPRA55型掃描電鏡觀察涂層高溫磨損前后表面形貌，并用掃描電鏡(SEM)配置的電子能譜儀(EDS)和D/max2500PC型X射線衍射(XRD)儀分析高溫磨損前后涂層化學(xué)組成和物相變化，研究高溫條件下AlCrN涂層磨損失效機(jī)理。
結(jié)果分析與討論
表面形貌與EDS分析
圖1(a)為AlCrN涂層常溫下表面形貌，表面的顆粒比較細(xì)小，其原因是Al靶濺射產(chǎn)額增加，導(dǎo)致涂層形核率增加。涂層表面較平整，存在許多大小不一的凹坑，這是由于離子轟擊引起的涂層表面反濺射效應(yīng)所致，在一定程度上使得涂層表面粗糙度有所降低。AlCrN涂層化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Al36.72%，Cr36.11%，N27.18%；原子分?jǐn)?shù)：Al34.06%，Cr17.38%，N48.56%，如圖1(b)所示。AlCrN涂層成分為Al、Cr、和N三種元素，其原子數(shù)之比接近2：1：3。這說明涂層主要是由Al和Cr的氮化物組成，有利于提高涂層硬度和抗氧化性能。
圖1 AlCrN涂層表面形貌與EDS分析
結(jié)論
(1)經(jīng)900℃高溫氧化后，涂層中N元素全部釋放，表面生成Al2O3和Cr2O3，其中Al2O3氧化物在摩擦過程中起到減磨作用，表現(xiàn)為較低的摩擦因數(shù)，Cr2O3提高了涂層硬度和磨損性能；
(2)在載荷600，800和1000g作用下，涂層摩擦因數(shù)平均值分別為0.1455，0.3939，0.4188，其中在載荷600g下表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦特性，適用于精密切削加工；
(3)在900℃摩擦過程中，涂層磨痕中產(chǎn)生了大量的氧化物，是高溫下基體原子的擴(kuò)散作用所致，表現(xiàn)為氧化磨損，伴隨著少量的磨粒磨損+黏著磨損。
隨著高速、高精度和高效干切削的發(fā)展，表面涂層技術(shù)是有效地改善刀具性能的主要途徑。CrN涂層具有高硬度、高耐磨性和低的摩擦因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于刀具表面改性處理，但是CrN涂層工作溫度只有650℃，不適用于高溫切削加工。CrN晶體為面心立方結(jié)構(gòu)，加入Al原子后，會(huì)替換部分CrN中Cr原子，Al原子固溶到CrN晶體中，CrN晶體結(jié)構(gòu)從面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和磨損性能有顯著的影響。
在高溫下可以形成Cr2O3和Al2O3這兩種致密氧化物，從而提高其熱穩(wěn)定性，抗氧化溫度可以達(dá)到900℃，仍可以保持高硬度、高耐磨性、抗高溫氧化和與基材附著力好的性能，適用于超大型齒圈的高效干切削。國內(nèi)尚未見到AlCrN涂層高溫摩擦擦磨損性能的報(bào)道。作者采用陰極弧離子鍍法在TiC金屬陶瓷刀具表面制備了AlCrN涂層，分析其在900℃高溫下摩擦磨損行為，為超大型齒圈高效切削加工提供技術(shù)參考。
試驗(yàn)方法
基體材料為TiC基金屬陶瓷刀具，采用納米級(jí)TiN加入微米級(jí)TiC混合后經(jīng)燒結(jié)制成，其中硬質(zhì)相為TiC和TiN，粘接劑為Ni，其化學(xué)成分(質(zhì)量比)：Ti51.26%，W19.55%，C12.92%，Ni7.63%，Co8.64%。試樣經(jīng)除油噴砂處理后，用丙酮溶液超聲波清洗和無水乙醇脫水，恒溫爐烘干后，在PVT鍍膜機(jī)上進(jìn)行鍍膜。采用純度為99.99%的Cr和Al為靶材，鍍膜參數(shù)為：真空度3×10^-3 Pa，爐內(nèi)溫度500℃，反應(yīng)氣體為N2，鍍膜時(shí)間120min。采用N2氣保護(hù)，經(jīng)180℃退火處理2h后，用丙酮在KQ2200DE型數(shù)控超聲清洗，再采用去離子水超聲清洗，z*后用吹風(fēng)機(jī)烘干即得所需試樣。通過HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察AlCrN涂層在900℃下摩擦-磨損特征，試驗(yàn)參數(shù)：載荷分別為600、800和1000g；溫度為900℃，由30段可編程溫度控制器調(diào)節(jié)，精度為0.2%FS(滿量程)；對(duì)磨件為陶瓷球，摩擦半徑3mm，旋轉(zhuǎn)速度1000r/min。磨損試驗(yàn)結(jié)束后，用SUPRA55型掃描電鏡觀察涂層高溫磨損前后表面形貌，并用掃描電鏡(SEM)配置的電子能譜儀(EDS)和D/max2500PC型X射線衍射(XRD)儀分析高溫磨損前后涂層化學(xué)組成和物相變化，研究高溫條件下AlCrN涂層磨損失效機(jī)理。
結(jié)果分析與討論
表面形貌與EDS分析
圖1(a)為AlCrN涂層常溫下表面形貌，表面的顆粒比較細(xì)小，其原因是Al靶濺射產(chǎn)額增加，導(dǎo)致涂層形核率增加。涂層表面較平整，存在許多大小不一的凹坑，這是由于離子轟擊引起的涂層表面反濺射效應(yīng)所致，在一定程度上使得涂層表面粗糙度有所降低。AlCrN涂層化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)：Al36.72%，Cr36.11%，N27.18%；原子分?jǐn)?shù)：Al34.06%，Cr17.38%，N48.56%，如圖1(b)所示。AlCrN涂層成分為Al、Cr、和N三種元素，其原子數(shù)之比接近2：1：3。這說明涂層主要是由Al和Cr的氮化物組成，有利于提高涂層硬度和抗氧化性能。
圖1 AlCrN涂層表面形貌與EDS分析
結(jié)論
(1)經(jīng)900℃高溫氧化后，涂層中N元素全部釋放，表面生成Al2O3和Cr2O3，其中Al2O3氧化物在摩擦過程中起到減磨作用，表現(xiàn)為較低的摩擦因數(shù)，Cr2O3提高了涂層硬度和磨損性能；
(2)在載荷600，800和1000g作用下，涂層摩擦因數(shù)平均值分別為0.1455，0.3939，0.4188，其中在載荷600g下表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦特性，適用于精密切削加工；
(3)在900℃摩擦過程中，涂層磨痕中產(chǎn)生了大量的氧化物，是高溫下基體原子的擴(kuò)散作用所致，表現(xiàn)為氧化磨損，伴隨著少量的磨粒磨損+黏著磨損。
