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Cr-V体系自润滑硬质涂层之研究

作　者: 仇越秀
导　师: 李波
学　校: 钢铁研究总院
专　业: 材料物理与化学
关键词: 磁控溅射 自润滑 硬质涂层 纳米多层膜结构 纳米复合膜结构 力学性能
分类号: TG174.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


“绿色加工技术”具有高效、节能、低碳、环保的特点,是未来的发展方向；但对加工工具及其涂层材料提出了苛刻的要求。过渡金属氮化物涂层,如：TiN, TiAIN和CrN,摩擦系数较高；传统的固体润滑剂涂层,如：类金刚石涂层,MoS2和h-BN,在湿润或高温等条件下易于氧化失效,均难以满足绿色加工技术的需要。针对现有涂层材料在绿色加工的高速摩擦、高温、无润滑剂条件下易于氧化、磨损而失效的问题,提出在硬质涂层中加入自润滑成分,降低涂层的摩擦系数,减小摩擦磨损,提高其使用寿命。通过纳米微结构设计,将Cr基耐磨层和V基自润滑层复合制备成摩擦学硬质涂层,系统研究涂层的微观结构与力学性能、氧化行为和自润滑等性能之间的关系,探索纳米结构自润滑摩擦学涂层的润滑机理。本论文采用磁控溅射技术制备了VN涂层,CrN/VN、CrAlN/VN多层膜结构涂层和CrAlSiVN纳米复合膜结构涂层,采用场发式电子探针(FE-EPMA)、掠入射X射线衍射分析仪(GIXRD)、场发式扫描电镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层的微观结构和化学组成；利用纳米压痕仪表征涂层的纳米硬度和弹性模量；利用Ball-on-disc磨耗实验仪表征涂层的摩擦性能。论文的主要研究结论如下：采用磁控溅射制备VN涂层,研究氮气分压和偏压对涂层性能影响,结果表明：在无偏压条件下,随着氮气分压从0.007Pa增加到0.29Pa,VN涂层晶化完全,结构变得更加致密,硬度也随之增加,最高达22.9GPa。在氮气分压为0.18Pa条件下,随着直流偏压从OV增加到-150V,VN涂层内的残余压应力增加到-1.69GPa,与此同时,涂层变得更加致密；当偏压进一步增加到-200V时,涂层晶粒长大,内部的残余应力略有减小。VN涂层的硬度随着偏压的增加而增大,最大到24.5GPa。采用磁控溅射技术,通过多层膜结构设计将CrN和VN结合在一起,制备了调制周期厚度(Λ)在7nm到27nm范围内的CrN/VN涂层。和CrN单层涂层相比,涂层的硬度从16.7GPa提高到25.2GPa,而与WC硬质合金的摩擦系数从0.40降低到0.21。CrN/VN涂层硬度的提高归因于CrN与VN之间的模量差以及热膨胀系数的差异。V在摩擦磨损过程中能够被氧化形成具有润滑作用的钒氧化物从而能降低涂层体系的摩擦系数。调制周期厚度7～27nm对CrN/VN涂层的硬度未见显著影响。由于多层膜结构的存在,CrN/VN涂层的磨耗率比单层膜结构涂层有所增加。将Al加入CrN层后,CrAIN层和VN层存在1%晶格错配度；常温下,由于形成了钒氧化物润滑层,CrAlN/VN涂层同样具有较低的摩擦系数,与WC的摩擦系数随着VN含量的增加而降低,最低达0.26。和CrN/VN涂层相比,CrAlN/VN涂层的硬度有了显著提高。固定CrAIN/VN的调制比为1：2时,调制周期在3nm到30nm范围内变化,当调制周期为20nm, CrAlN/VN涂层具有最高的硬度为32.4GPa以及弹性模量为375GPa,与WC合金的磨耗率最低为1.1×10-7mm3/Nm。当固定CrAlN/VN周期厚度为20nm时,随着CrAlN/VN调制比增大或减小,伴随着CrAIN或VN子层厚度的减薄,涂层的硬度有增强的趋势；当CrAlN/VN调制比为1：2时,涂层具有最高的硬度32.4GPa。CrAlN/VN涂层的高温氧化及摩擦学行为研究结果表明,CrAlN/VN涂层(CrAlN/VN=1:2(at.%), A=20nm)的硬度随着温度升高而下降,当温度升到700℃时,涂层的硬度仅为1.3GPa,基本失去硬质涂层的功效。随着温度升高CrAlN/VN涂层与氧化铝的摩擦系数上升,到400℃时最高达0.72；随着温度进一步升高到550℃,涂层表面形成V2O5,涂层的摩擦系数降低到0.56；当温度升高到700℃时,由于氧化物熔化,体系摩擦系数降低到了0.42。CrAlN/VN涂层仅适用于常温条件下的机械加工,不能在高温条件下应用。在CrAlVN涂层中加入Si能够显著提高涂层的力学性能,当Si含量为5.4at.%时,涂层具有最高的硬度为38.7GPa,弹性模量347.2GPa,及抗塑性形变系数0.8GPa。CrAlSiVN涂层和WC合金的摩擦系数在0.48-0.60之间,Si的含量变化对其没有显著影响；CrAlSiVN涂层的磨耗率随着涂层抗塑性形变性的提升而降低。钒在CrAlSiN涂层中能够起到晶粒细化的作用；CrAlSiN涂层的机械强度随着钒的加入而降低,当涂层中钒的含量由0增加到25.8at.%,涂层的硬度由34.8GPa降低到29.4GPa。当CrAlSiN涂层中加入少量钒时,未能起到润滑作用,由于涂层强度降低,摩擦系数反而增大,磨耗率也增大；当钒的含量达到25.8at.%时,起到润滑作用,涂层的摩擦系数降低到0.39,磨耗率也呈现下降趋势。CrAlSiVN涂层的高温氧化行为研究结果表明,CrAlSiVN涂层的硬度随着温度升高而下降；但是和CrAlN/VN涂层相比,CrAlSiVN涂层的抗氧化性得到了显著提高,当温度升到800℃时,涂层的硬度降低到约11.0GPa,仍然具有硬质涂层的效果。CrAlSiVN涂层能够抵抗800℃的热处理,可以应用于800℃左右的绿色机械加工条件。通过纳米多层膜结构和纳米复合膜结构将Cr、V氮化物进行复合,可以获得既硬又润滑的CrN/VN, CrAIN/VN和CrAlSiVN摩擦学硬质涂层。由于在摩擦磨损过程中被氧化形成了VOx化合物,Cr-V系列涂层表现出优良的摩擦学性能,能够满足绿色加工条件的需求。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章 绪论  12-30
  1.1 研究背景及意义  12-15
  1.2 摩擦学涂层的发展和研究现状  15-25
    1.2.1 摩擦学涂层分类  15
    1.2.2 硬质涂层  15-16
    1.2.3 超硬涂层  16-17
    1.2.4 润滑涂层  17-25
      1.2.4.1 润滑机理  18-19
      1.2.4.2 润滑涂层的研究现状  19-25
  1.3 摩擦学涂层的结构设计  25-26
    1.3.1 纳米晶复合结构  25-26
    1.3.2 纳米多层结构  26
  1.4 摩擦学涂层的制备方法  26-29
    1.4.1 喷涂  26-27
    1.4.2 真空蒸镀  27
    1.4.3 离子镀  27-28
    1.4.4 化学气相沉积  28
    1.4.5 溅射镀膜  28-29
  1.5 本课题的设计思想和研究内容  29-30
第二章 涂层的制备和检测  30-43
  2.1 实验流程  30
  2.2 实验设备  30-31
  2.3 实验材料  31-32
  2.4 涂层的结构设计  32
  2.5 涂层的制备  32-34
    2.5.1 基底材料的制备  32-33
    2.5.2 真空条件下的预处理  33
    2.5.3 涂层的制备  33-34
  2.6 涂层的检测方法和检测设备  34-43
    2.6.1 化学元素分析  34-36
      2.6.1.1 电子探针分析  34
      2.6.1.2 X射线光电子能谱分析  34-35
      2.6.1.3 能量散射光谱仪  35
      2.6.1.4 俄歇电子能谱仪  35-36
    2.6.2 微观结构的表征  36-40
      2.6.2.1 掠入射X射线衍射  36-38
      2.6.2.2 原子力显微镜  38
      2.6.2.3 扫描电子显微镜  38-39
      2.6.2.4 透射电子显微镜  39-40
    2.6.3 性能测试  40-43
      2.6.3.1 纳米压痕分析  40-41
      2.6.3.2 摩擦学性能测试  41-42
      2.6.3.3 涂层的热分析  42-43
第三章 结果与讨论  43-107
  3.1 VN涂层的制备及工艺参数的影响  43-56
    3.1.1 VN涂层的制备及表征  44-45
    3.1.2 结果与讨论  45-55
    3.1.3 结论  55-56
  3.2 多层膜结构摩擦学涂层  56-85
    3.2.1 CrN/VN多层膜结构涂层的制备及其性能研究  56-66
      3.2.1.1 CrN/VN多层膜结构涂层的制备及表征  56-58
      3.2.1.2 结果与讨论  58-66
      3.2.1.3 结论  66
    3.2.2 纳米多层膜结构自润滑CrAIN/VN涂层的制备及性能表征  66-80
      3.2.2.1 涂层的制备及性能表征  66-69
      3.2.2.2 结果与讨论  69-80
        3.2.2.2.1 CrAIN/VN多层膜调制周期厚度对涂层性能的影响  69-75
        3.2.2.2.2 CrAIN/VN厚度调制比对涂层性能的影响  75-80
      3.2.2.3 结论  80
    3.2.3 CrAIN/VN涂层氧化及高温摩擦学行为研究  80-85
      3.2.3.1 实验  80-81
      3.2.3.2 结果与讨论  81-84
      3.2.3.3 结论  84-85
  3.3 复合膜结构的摩擦学涂层  85-107
    3.3.1 CrAISiVN涂层的制备及Si对涂层性能的影响研究  86-93
      3.3.1.1 不同Si含量的CrAISiVN涂层的制备及表征  86-87
      3.3.1.2 结果与讨论  87-93
      3.3.1.3 结论  93
    3.3.2 V对CrAISiVN涂层性能的影响研究  93-101
      3.3.2.1 不同V含量的CrAISiVN涂层的制备及表征  93-95
      3.3.2.2 结果与讨论  95-100
      3.3.2.3 结论  100-101
    3.3.3 CrAlSiVN涂层的高温氧化行为研究  101-107
      3.3.3.1 实验  101
      3.3.3.2 结果与讨论  101-106
      3.3.3.3 结论  106-107
第四章 主要结论及创新点  107-109
  4.1 主要结论  107-108
  4.2 创新点  108-109
第五章 发表论文和参加科研情况说明  109-111
  5.1 论文  109
  5.2 专利  109
  5.3 参加的国际会议  109-110
  5.4 申请项目  110-111
第六章 致谢  111-112
第七章 参考文献  112-120

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 腐蚀的控制与防护 > 金属表面防护技术
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