C掺杂对CrN、CrTiAIN镀层结构及摩擦学性能的影响

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本文利用磁控溅射技术以石墨靶为碳元素来源,在高速钢、45#钢和单晶硅基体上制备了不同C含量的CrCN镀层和CrTiAlCN复合镀层。采用XPS、XRD、TEM、SEM及AFM对镀层的化学成分、相、微观结构及形貌进行了分析;对镀层的硬度、韧性等力学性能进行了研究;通过销-盘式摩擦磨损试验机研究了镀层的室温摩擦磨损性能,并使用光学显微镜观察了镀层磨损后的形貌;探讨了碳含量变化对镀层摩擦磨损性能的影响机理。   研究结果表明:CrCN镀层主要由CrN、Cr2N、碳单质和铬碳化合物组成。CrTiAlCN镀层主要由(Cr、Ti、Al)N体系、碳单质、铬碳化合物和少量的钛碳化合物组成。随着C元素相对含量的增加,CrCN镀层与CrTiAlCN镀层均逐步向非晶化转变;镀层的表面形貌更加致密,晶粒细化,镀层中的孔隙和缺陷减少,粗糙度下降,并且镀层由柱状结构逐渐向层状结构转变。镀层的摩擦系数随C元素相对含量的增加逐渐降低;磨损形式发生了由粘着磨损→磨粒磨损的转变。   随着C元素相对含量的增大,CrCN镀层硬度提高,摩擦系数由0.7降至0.32,磨损率由3.61(*)10-15m3/Nm下降至1.15(*)10-15m3/Nm。碳元素相对含量为50.47at%时,CrTiAlCN镀层的摩擦系数最低达到0.1,镀层磨损率较大,硬度逐渐下降,韧性变差。这是由于Cr,Ti,Al)N体系固溶度较高,C原子大部分以碳单质形式不均匀地富集于工作层中,界面数量减少,降低了镀层抵抗塑性变形的能力,脆性增大,在摩擦过程中镀层易于大面积剥落。
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