AlCrN涂层表面微纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究-机械制造及其自动化专业毕业论文

AlCrN涂层表面微/纳织构的制备及其摩擦磨损特性研究本文将硬质涂层技术和表面微/纳织构技术两种效应有机结合,提出了微/纳织构化AlCrN涂层表面的设计思路,在研究分析了AlCrN涂层表面微/纳织构制备技术的基础上,采用激光技术在AlCrN涂层表面制备了微米级和纳米级沟槽型织构,系统研究了微/纳织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性,阐明了微/纳织构对AlCrN涂层表面摩擦磨损性能的影响,并揭示了其磨损机理。

首先,采用脉冲光纤激光器在AlCrN涂层表面制备了微米级沟槽型织构,分别研究了脉冲功率、扫描速度和扫描次数对微织构深度和宽度的影响,并结合AlCrN涂层的表面特性,优化得到最佳的工艺参数：脉冲功率为12W,扫描速度为200mm/s,扫描一次,并在AlCrN涂层表面制备了深度为3μm,宽度为36μm,不同间距、不同角度的沟槽型微织构。

在分析了飞秒激光加工原理的基础上,采用钛宝石飞秒激光器在AlCrN涂层表面制备了周期性的纳米级沟槽型织构,分别研究了单脉冲能量、扫描速度、扫描间距和扫描次数对纳织构形貌的影响,优化得到最佳的工艺参数：飞秒激光的单脉冲能量为3.5μJ,扫描速度为1000μm/s,扫描间距5μm,扫描次数为1次,并在AlCrN涂层表面制备了深度是200nm,宽度是600nm,面积占有率为100%,50%和25%的三种纳米级沟槽型织构表面。

通过往复式摩擦磨损试验对不同角度、不同间距、不同表面粗糙度的微织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损特性进行了研究分析,系统分析了沟槽型微织构对AlCrN涂层的摩擦磨损性能的影响。

研究表明：微织构能够提高AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能,低载荷、高滑动速度和添加润滑剂的条件下,微织构能够更有效的提高AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能；微织构的形貌对表面摩擦磨损性能有很大的影响,与滑动方向平行的织构角度是最佳的减磨角度,400μm是最佳的微织构间距；降低微织构表面的粗糙度可以有效的提高AlCrN涂层表面的抗磨损能力,未抛光和抛光后微织构表面的摩擦系数相差不多,但是降低微织构表面粗糙度能够减小AlCrN涂层表面磨痕尺寸和减小摩擦球的磨损体积。

《Al-Nd合金镀层及微弧氧化膜的制备与性能研究》篇一摘要：本文研究了Al-Nd合金镀层及微弧氧化膜的制备工艺，并对其性能进行了系统性的分析。

通过控制制备过程中的参数，优化了镀层和膜层的结构和性能，并对其耐腐蚀性、硬度和耐磨性等关键性能进行了详细探讨。

一、引言随着科技的发展，铝及其合金在工业领域的应用日益广泛。

为了提高铝及其合金的表面性能，如耐腐蚀性、硬度和耐磨性等，人们开发了多种表面处理技术。

其中，Al-Nd合金镀层和微弧氧化技术是两种重要的表面处理技术。

本文旨在研究这两种技术的制备工艺及其性能特点。

二、Al-Nd合金镀层的制备与性能研究1. 制备工艺Al-Nd合金镀层的制备主要采用浸渍法，通过控制浸渍时间、温度、Nd含量等参数，获得不同结构和性能的镀层。

2. 结构与性能分析通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对镀层进行结构分析，结果表明Al-Nd合金镀层具有致密的晶体结构和良好的附着力。

此外，对镀层的硬度、耐腐蚀性和耐磨性进行了测试，发现随着Nd含量的增加，镀层的硬度、耐腐蚀性和耐磨性均有所提高。

三、微弧氧化膜的制备与性能研究1. 制备工艺微弧氧化膜的制备主要采用微弧氧化技术，通过调整电解液成分、电压、电流等参数，控制膜层的生长过程。

2. 结构与性能分析利用XRD、SEM和能谱分析（EDS）等技术对膜层进行结构分析，发现微弧氧化膜具有多孔结构，且孔隙率随电解液成分和工艺参数的变化而变化。

对膜层的硬度、耐腐蚀性和耐磨性进行测试，结果表明微弧氧化膜具有较高的硬度、良好的耐腐蚀性和一定的耐磨性。

四、结果与讨论通过对Al-Nd合金镀层和微弧氧化膜的制备工艺及性能进行分析，我们可以得出以下结论：1. 通过控制制备过程中的参数，可以优化Al-Nd合金镀层和微弧氧化膜的结构和性能。

2. Al-Nd合金镀层具有较高的硬度、良好的耐腐蚀性和耐磨性，且随着Nd含量的增加，这些性能得到进一步提高。

3. 微弧氧化膜具有多孔结构，孔隙率可随电解液成分和工艺参数的调整而变化。

实验采用 通 用 多 功 能 摩 擦 磨 损 实 验 机 （ UMTIII） ，测试系统由硬件部分、软件控制部分和数据分 析部分组成，如图 1 所示。实验中采用球盘模式实现 点接触形式。实验中上试样钢球静止，下试样钢盘做 不同频率往复运动，如图 2 所示。实验载荷通过加载 模块加载，用接触电阻定性表征球 － 盘摩擦副所处的 润滑状态。实验时，把定量的润滑油注入到储油池 中，且保证充分供油。为了避免润滑油在实验过程中 副产物的影响，润滑油采用基础油且不重复使用。
面上加工出方形微坑。微织构尺寸参数示意图以及与 往复运动方向关系如图 4 所示，箭头所示为往复运动 方向。实验所用微织构参数如表 2 所示。实验中取 0# 试样为无织构光滑表面作为对照组。
1. 2 试样 实验中上试样为光滑钢球，直径为 25. 4 mm，材
料为 45#钢，弹性模量为 210 GPa，泊松比为 0. 3。表 面经过超精加工，Ｒa = 0. 005 μm，远小于下试样钢 盘表面粗糙度，故其表面粗糙度的影响可以忽略。根 据实验仪器的结构特点，用线切割方法将其加工成一
图 6 示出了对应微织构的深度，由三维表面形 貌 仪 （ Nanomap ） 测 得， 该 组 微 织 构 深 度 约 为 30 μm。
图 7、8 分别示出了 2# 试样的表面形貌以及微织 构深度。其中微织构横向边长 LA 不同，而纵向边长 LB，横向间距 LX 以及纵向间距 LY 保持不变。
12
端带有部分球面的销状试样，如图 3 所示。
图 3 球头试样 Fig 3 Pin sample with spherical end
下试样 为 钢 制 方 盘，为 待 测 样 品。钢 盘 尺 寸 为 40 mm × 32 mm × 5 mm，材料为 45#钢，表面经磨削加 工，然后采用激光微造型工艺在磨削表面加工出所需 要的微织构阵列，最后手工用砂纸抛光去除毛刺、熔 融物后表面粗糙度可达到 0. 5 μm。实验时将钢盘通 过 2 个定位销以及 4 个紧固螺钉固定到下试样储油槽 中，实验过程中钢盘随着储油槽做往复运动。 1. 3 实验条件

微-纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的腐蚀磨损行为研究微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的腐蚀磨损行为研究随着工业的发展和对优化材料性能的需求，金属陶瓷涂层在材料表面保护和功能改善方面得到了广泛应用。

其中，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层以其优异的抗腐蚀和耐磨性能成为研究的热点。

首先，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的制备方法至关重要。

通常采用的方法包括高速喷涂、激光熔覆、等离子熔覆等。

这些方法可以在金属基体表面形成均匀、致密的涂层，提高涂层的附着力和表面质量。

同时，通过调节喷涂参数、合适的热处理和后续抛光，还可以进一步改善涂层的微/纳结构和性能。

其次，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的腐蚀性能也是关键。

湿润环境中，金属陶瓷涂层容易受到腐蚀作用，导致涂层性能的降低。

因此，研究涂层的腐蚀行为对于提高其抗腐蚀性能具有重要意义。

实验研究发现，微/纳结构Cr3C2-NiCr 金属陶瓷涂层在腐蚀介质中能够形成致密的氧化物保护层，从而有效地抵御腐蚀侵蚀。

此外，通过合理的合金设计和控制涂层中Cr3C2含量，还可以提高涂层的耐腐蚀性能。

最后，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的磨损行为也是研究的重点。

工程领域中，材料表面往往需要承受一定的摩擦和磨损。

为了提高涂层的耐磨性能，研究者通过微观结构设计和合金优化，使其具备较高的硬度和耐磨耗性。

实验结果表明，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层在摩擦磨损条件下能够形成具有优异抗磨损性能的摩擦副表面，延长设备的使用寿命。

综上所述，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层具有良好的抗腐蚀和耐磨性能，对于提高材料表面的功能与性能具有重要作用。

然而，目前对于微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层腐蚀和磨损行为的研究还较少，仍需要进一步的实验和理论研究来揭示其机理及影响因素，以更好地指导材料的设计与应用综合以上研究结果可知，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层具有良好的抗腐蚀和耐磨性能。

《Al-Nd合金镀层及微弧氧化膜的制备与性能研究》篇一摘要：本文对Al-Nd合金镀层及微弧氧化膜的制备方法、结构特点、性能及其应用进行了系统的研究。

通过实验，我们详细探讨了不同制备工艺对镀层及膜层的影响，并对其在抗腐蚀性、耐磨性以及电化学性能等方面的表现进行了评价。

研究结果表明，Al-Nd 合金镀层及微弧氧化膜的制备技术具有良好的应用前景。

一、引言随着现代工业的快速发展，对材料表面性能的要求越来越高。

Al-Nd合金镀层及微弧氧化膜作为一种新型的表面处理技术，具有优异的抗腐蚀性、耐磨性以及良好的电化学性能，在航空、汽车、电子等领域具有广泛的应用前景。

因此，对Al-Nd合金镀层及微弧氧化膜的制备与性能进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、Al-Nd合金镀层的制备与性能研究1. 制备方法Al-Nd合金镀层的制备主要采用电镀法。

通过调整电镀液中Nd元素的含量、电镀温度、电流密度等参数，可以控制镀层的成分和厚度。

2. 结构特点Al-Nd合金镀层具有优良的附着力和硬度，其微观结构表现为致密的金属间化合物层和扩散层。

这些结构特点使得Al-Nd合金镀层具有良好的抗腐蚀性和耐磨性。

3. 性能评价通过对Al-Nd合金镀层进行抗腐蚀性、耐磨性及电化学性能测试，我们发现其具有优异的性能表现。

在抗腐蚀性方面，Al-Nd合金镀层能够有效地抵抗各种腐蚀介质的侵蚀；在耐磨性方面，其硬度高、耐磨性好，能够有效地延长材料的使用寿命；在电化学性能方面，Al-Nd合金镀层具有良好的导电性和电化学稳定性。

三、微弧氧化膜的制备与性能研究1. 制备方法微弧氧化膜的制备主要采用微弧氧化技术。

通过在铝合金表面施加高电压，使表面产生微弧放电，从而在铝合金表面形成一层致密的氧化膜。

2. 结构特点微弧氧化膜具有多孔结构，其表面布满了微小的放电通道和孔洞。

这些孔洞和通道为氧化膜提供了丰富的活性表面，使其具有优异的抗腐蚀性和耐磨性。

3. 性能评价微弧氧化膜具有良好的抗腐蚀性、耐磨性和电绝缘性能。

第51卷第2期表面技术2022年2月SURFACE TECHNOLOGY·77·V-Al-C-N宽温域涂层的制备及其摩擦学行为齐帆1,2，张玉鹏2，王振玉2，汪爱英2，王铁钢1，柯培玲2（1.天津职业技术师范大学 天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222；2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所 中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室，浙江 宁波 315201）摘要：目的设计制备用于高速切削难加工材料的长寿命刀具涂层。

方法采用三靶磁控共溅射技术，通过改变石墨靶材的溅射功率，调控不同润滑相的配比，制备具有不同C含量的V-Al-C-N纳米复合涂层。

利用纳米压痕仪和高温摩擦试验机，对涂层的力学性能和摩擦学性能进行检测。

采用透射电镜和扫描电镜观察涂层的显微结构和摩擦磨损表面形貌，并分析其磨损机理。

结果制备了具有优异性能的V-Al-C-N纳米复合刀具涂层。

当涂层中C原子数分数为29.40%时，涂层的硬度和弹性模量分别高达36.3 GPa和370.5 GPa。

在室温（RT）~650 ℃宽温域范围内，涂层具有稳定、良好的摩擦学性能。

RT条件下，涂层中的磨痕很浅，摩擦因数（COF）为0.43；在300 ℃工作时，对比V AlN涂层，其非晶包裹纳米晶的结构使得掺C后的COF 降低了14%，至0.72，磨损机理包含磨粒磨损和氧化磨损；650 ℃条件下，磨痕出现大量犁沟，大量磨屑在摩擦轨道两侧被压实，此时氧化反应明显加剧，涂层表面生成V2O5润滑相，摩擦因数稳定在0.35。

结论采用三靶磁控共溅射技术，在V AlN涂层中引入不同含量的C，可提高其力学性能，并在一定程度上降低涂层的高温摩擦因数。

不同温度条件下摩擦因数的变化与涂层的磨损机制有关。

关键词：V-Al-C-N；宽温域润滑；力学性能；非晶包裹纳米晶；V2O5中图分类号：TG174.442；TH117 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2022)02-0077-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2022.02.008Study on Preparation and Tribological Behavior of V-Al-C-NCoatings in a Wide Temperature RangeQI Fan1,2, ZHANG Yu-peng2, WANG Zhen-yu2, WANG Ai-ying2, WANG Tie-gang1, KE Pei-ling2(1. Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Manufacturing, Tianjin University of Technologyand Education, Tianjin 300222, China; 2. Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China)收稿日期：2022-01-30；修订日期：2022-02-16Received：2022-01-30；Revised：2022-02-16基金项目：国家自然科学基金（51875555）；天津市科技重大专项（18ZXJMTG00050）；天津市科技特派员项目（20YDTPJC01460）Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51875555); Tianjin Science and Technology Major Project (18ZXJMTG00050); Special Commissioner Project of Tianjin Science & Technology (20YDTPJC01460)作者简介：齐帆（1996—），男，硕士研究生，主要研究方向为刀具涂层技术和高温防护涂层。

织构化alcrn涂层表面的摩擦磨损性能研究近年来，AlCrN材料在高温高负荷下应用时，具有良好的耐腐蚀性和抗磨损性。

然而，贴有AlCrN涂层的实验室金属表面摩擦磨损性能目前尚未得到足够关注。

AlCrN涂层表面在摩擦磨损试验过程中，微织构研究可以完全描述表面磨损行为。

为了更好地了解AlCrN涂层表面的摩擦磨损行为，本文研究了表面织构化AlCrN薄涂层的摩擦磨损性能。

实验材料是采用真空热喷涂技术制备的织构化AlCrN热涂层，该涂层的目标成分为：Al15Cr10N75。

该织构化热涂层表面具有特定的织构结构，其中AlCrN粒子分布在椭圆形结构形态中。

此外，在织构化表面结构中可以看到织构化小粒子形成的孔隙，孔隙的尺寸大约在200-400 nanometers之间。

为了表征表面织构化AlCrN涂层的摩擦磨损性能，采用了微磨损测试机进行摩擦磨损试验，结果显示，表面织构化AlCrN涂层的最低摩擦系数为0.061，磨损深度和平均磨耗速率分别为7.24μm和7.34×10-2mm-1N-1。

在摩擦磨损试验前，织构化AlCrN涂层表面进行了显微观察，结果表明，摩擦磨损试验后，表面织构化AlCrN涂层表面织构发生变化，呈磨粒状，质量损失主要集中在边缘，表面粗糙度也有了明显的增加。

进一步的研究表明，在摩擦磨损试验中，织构化AlCrN涂层表面粒子之间的结合变强，小结构开始积聚，有利于AlCrN涂层表面的抗磨损性能，使最终织构化AlCrN涂层表面的磨损深度降低。

综上所述，织构化AlCrN涂层的摩擦磨损性能优于常规的AlCrN 涂层，在摩擦磨损试验中，表面织构化AlCrN涂层的摩擦系数最低，磨损深度最小，表现出优异的抗磨损性能。

因此，织构化AlCrN涂层可以更有效地抑制金属表面的磨损，并具有良好的应用前景。

研究人员建议，为了进一步提高金属表面织构化AlCrN涂层摩擦磨损性能，可以采取多种技术手段改变涂层织构密度和质量分布，例如电解质表面处理或加热处理等。

织构化alcrn涂层表面的摩擦磨损性能研究摩擦和磨损是在工程领域中非常重要的热力学现象，它们可以在多种类型的机械系统中影响物体的运动或活动。

因此，提高摩擦磨损特性对于维护复杂机械系统正常工作很重要。

近年来，随着新技术和新材料的出现，涂层工艺已经成为大多数复杂机械系统及其配件表面改善的有效手段。

层是将各种材料层层涂层在表面形成一个多层结构，以期获得一种特殊的功能。

而，在涂层过程中，涂层结构和材质可能会受到复杂的摩擦和磨损作用的影响，这可能会导致系统功能的破坏。

因此，如果要有效地应用涂层工艺，首先必须充分了解表面涂层的摩擦磨损性能。

织构化alcrn涂层是一种新型的结构化表面材料，由一层碳纳米管（CNT）和一层铝氧化物（ALOx）组成。

研究表明，织构化alcrn涂层具有很好的表面粗糙度，可以显著提高表面的贴合性能。

因此，织构化alcrn涂层可用于改善某些机械制品表面的摩擦磨损性能。

本文将通过实验来研究织构化alcrn涂层表面的摩擦磨损性能。

首先，我们将通过扫描电子显微镜（SEM）和电子探针（EPS）对织构化alcrn涂层进行观察，以确定其表面结构和形貌。

然后，我们将使用一种称为“旋转辐射传递”的测试方法，通过旋转两个平行的滑动面，以模拟不同环境下的摩擦磨损效果，从而评估织构化alcrn涂层的摩擦磨损性能。

通过实验，我们可以了解织构化alcrn涂层中的摩擦系数和磨损速率，以及摩擦磨损受不同环境条件影响的规律。

实验结果表明，织构化alcrn涂层具有出色的抗摩擦磨损性能，其摩擦系数和磨损速率明显低于其他常规涂层材料。

此外，实验结果还表明，织构化alcrn涂层的摩擦系数和磨损速率在不同温度下变化不大，因此可以有效地稳定摩擦磨损性能。

综上所述，我们通过实验研究了织构化alcrn涂层表面的摩擦磨损性能。

结果表明，织构化alcrn涂层具有优异的抗摩擦磨损性能，可以有效提高复杂机械系统的性能，从而提高系统的可靠性和可行性。

纳米涂层材料的摩擦磨损性能研究摩擦磨损是各种工程装置以及机械设备在运行过程中难以避免的现象。

为了保证机械设备的长期运行和降低维护成本，研究人员一直致力于开发新型涂层材料，以提高材料的摩擦磨损性能。

而纳米涂层材料由于其独特的性能和结构，成为当前研究的热点之一。

纳米涂层材料是指厚度在纳米量级的涂层材料，其粒子的粒径通常小于100纳米。

相比传统的涂层材料，纳米涂层材料具有更高的硬度和更好的耐磨性，这使得它们在摩擦磨损场合中表现出色。

首先，纳米涂层材料具有很强的硬度和刚性。

纳米颗粒的小尺寸和高比表面积使得纳米涂层材料具有优异的力学性能。

在摩擦磨损过程中，纳米涂层的硬度可以对抗外界应力，阻止材料表面的微观塑性变形，从而减少摩擦磨损。

此外，由于纳米涂层具有较高的刚性，其表面形貌变化较小，摩擦系数也相对较低。

其次，纳米涂层材料具有优异的润滑性能。

纳米颗粒的细小尺寸使得纳米涂层在其表面形成了较为光滑的纳米结构。

这种微观结构可以存储大量的润滑油，形成有效的润滑膜，减少表面间的直接接触，从而降低了摩擦磨损。

另外，纳米涂层具有较高的分散性，能够在喷涂或者电化学沉积过程中均匀地分布在基材表面，提高涂层的光滑度和润滑性。

第三，纳米涂层材料具有优异的耐磨性。

纳米涂层的微观结构可以有效地阻碍摩擦磨损粒子的运动，并且降低表面的摩擦热量和机械破坏。

此外，纳米涂层的高硬度和刚性也能够抵抗外界物理和化学侵蚀，提高涂层的使用寿命和稳定性。

纳米涂层材料的研究和应用涵盖了广泛的领域，如汽车工业、航空航天、电子设备等。

以汽车工业为例，纳米涂层材料可以应用在发动机缸套、活塞环以及传动装置等关键部件上，提高汽车发动机的效能和寿命，降低能源消耗和环境污染。

在航空航天领域，纳米涂层材料能够提高飞机发动机的涡轮叶片耐腐蚀性和耐磨性，延长其使用寿命，同时减少维护和更换的频率。

然而，纳米涂层材料的研究和应用还面临一些挑战。

首先，纳米涂层的制备工艺和涂层厚度的控制较为复杂，因此需要在制备过程中精确控制实验条件，以获得具有高质量和充分性能的纳米涂层。

具有优异附着力、抗氧化性、耐磨性和硬度的AlCrWSiN涂层研究（2. 香港理工大学工业级系统工程学系）摘要：本文研究了AlCrWSiN涂层（60:30:5:5%原子数）的最佳沉积条件，并评估了其附着力、耐磨性和硬度等物理性质。

该涂层材料硬度大于35 GPa，不仅实现了优异的工业级HF1附着力质量，而且表现出良好的耐磨性，有超过ALNOVA涂层的潜在可能。

涂层材料的试验研究表明，涂层材料显示出优异的再现性特性。

此外，该材料表现出改善的抗氧化性，氧化测试后重量仅增加了约1.1 mg。

这些发现使AlCrWSiN涂层材料非常适合用于外科手术切割工具的生产。

前言切削刀具上的硬质涂层可以提供一系列好处[1-5]。

它能够提高工具的强度和耐用性，且有助于减少磨损，增加耐腐蚀性[6-8]。

硬质涂层能够改善刀具的切削性能，帮助其更精确、更高效地切削。

此外, 硬质涂层有助于保护工具免受灭菌处理造成的损坏[9]，因此更适用于医疗零件加工。

外科手术用切割工具涂层的另一个所需特性是强附着力[10，11]，这有助于确保外科切割工具能够在更长时间内发挥最佳性能，并保持免受潜在的破坏性影响。

借助具有高耐磨性的高附着力涂层材料，可确保安全性，延长设备寿命，并提高切削工具的性能[12]。

然而，随着时间的推移，氧化可能会降低涂层材料的性能，使其效果降低。

涂层的抗氧化性很重要，因为它提供了一层额外的保护层，以抵御恶劣的切削工作环境。

任何不抗氧化的附着涂层最终都会分解并失去其防磨损的能力。

具有优异抗氧化性的强附着力涂层对于确保部件的寿命和整体性能至关重要。

我们的研究旨在开发下一代具有强附着力的抗划伤硬质涂层材料，且适用于生产医疗应用（产品）。

我们分三个阶段检测了涂层刀具上的AlCrWSiN薄膜的附着力质量[11]、耐磨性[13]、抗氧化性[13]和硬度。

初始阶段包括评估薄膜内是否具有期望的物理性质，然后测试这些特性的再现性以适应生产线生产。

253第41卷第3期2021年3月真空科学与技术学报CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGYQT600材料表面离子镀AlCrN 涂层的耐磨性能研究耿浩然'赵毅红"周晓进2余晶晶'龚孜宇'王自力：何玉龙I 陈荣发'李子亮'(1.扬州大学机械工程学院扬州225127；2.扬州攀峰网络科技有限公司扬州225000；3.上海汉中精机股份有限公司 上海201501 )Surface Modiflcation of QT600 Rotor with Multi Arcion Plated AlCrN CoatingsGENG Haoran 1 ,ZHAO Yihong 1 * ,ZHOU Xiaojin 2,YU Jingjing 3 ,GONG Ziyu',WANG Zili 1 ,HE Yulong 1 ,CHEN Rongfa' ,LI Ziliang 3(1. School of Mechanical Engineering , Yangzhou University, Yangzhou 225127 China2. Yangzhou Panfeng Network Technology Co. , Ltd. , Yangzhou , Yangzhou 225000, China ；3. Shanghai Hanzhong Fine Machinery Co. ,Ltd. ,Shanghai 201501 , China )Abstract The surfaces of QT600 rotor , of an air compressor , were modified and reconditioned with AlCrNcoatings synthesized by multi arc ion plating. The influence of the AlCrN coatings on the microstructures , phases and tribological properties , including the hardness , wear resistance and friction coefficient , was investigated with X-ray diffraction , scanning electron microscopy and conventional mechanical probes. The results show that the AlCrN coat ­ings ,mainly comprising AlCrN , CrN , AIN phased grains and deposited under the optimized conditions significantly improved the tribological behavior of QT600 rotor surface , especially the friction coefficient and wear resistance. Theadhesive wear , at a load of 2 N and abrasive wear , at a load of 8 N , were found to account for the wear mechanisms ,respectively.Keywords Air compressor rotor,Multi arc ion plating,AlCrN coating ,Friction and wear properties摘要 采用多弧离子镀膜的方法在空压机转子QT600表面制备AlCrN 涂层，详细研究干滑动摩擦条件下,不同载荷对涂层和基体的滑动摩擦学特性。

织构化alcrn涂层表面的摩擦磨损性能研究近年来，随着材料科学技术的迅速发展，织构化AlCrN涂层表面的应用越来越广泛，在医学、汽车制造、航空航天和钢铁行业等领域都有重要作用。

然而，由于这种表面的性质较弱，它的摩擦磨损性能也一直是个研究课题。

考虑到其巨大的应用前景，有必要研究和改进织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能，提高设备的可靠性和稳定性，从而推动科学技术的发展。

首先，必须搞清楚摩擦磨损特性的机理和影响因素，以便更好地研究织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能。

一般武，摩擦磨损实际上是凸物之间的接触受到外力的作用，从而导致物体表面形状的变化，这反过来可以影响摩擦磨损性能。

其中，最重要的因素是表面粗糙度。

相同硬度材料的摩擦磨损只受表面粗糙度的影响，而其他因素只作辅助作用。

其次，研究人员应当从不同角度改进表面的织构化AlCrN涂层的性能。

首先，将硬度提高到一定程度，可以防止表面变形。

此外，通过改变Al-CrN复合材料的组成，进而改善表面的粗糙度，也可以提高材料的抗摩擦磨损性能。

此外，充分利用表面活性物质的有机润湿剂和润滑剂，使材料表面更加光滑，也可以很大程度上改善其摩擦磨损性能。

最后，应当选择合适的试验方法和模型，对不同条件下的摩擦磨损性能进行有效的研究和分析，以获取织构化AlCrN涂层表面的最佳磨损率。

为此，必须采用特定的工具，如乳剂、微珠、摩擦轮测试器、激光腐蚀试验等，对不同温度、接触压力、滑动速度等参数进行测试，以观察表面织构和摩擦磨损性能之间的关系。

并且，可以建立摩擦磨损数模型，预测摩擦磨损规律，并设计合理的润滑方案，以降低表面涂层的磨损。

综上所述，织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能的研究和改进对于提高科技表面的抗磨损性能以及设备的可靠性和稳定性都有重要意义。

为此，应当从机理、影响因素和检测试验等方面进行探究和分析，以达到理想的摩擦磨损效果。

经过以上研究，本文指出：织构化AlCrN涂层表面的摩擦磨损性能的研究和改进都有重要意义，应当从机理、影响因素和检测试验等方面进行探究和分析，以提高材料的摩擦磨损性能，促进科学技术的发展。

AlCrN硬质涂层材料的研究进展_郑康培AlCrN 硬质涂层材料的研究进展*郑康培1,刘平2,李伟2,马凤仓2,王均涛1(1 上海理⼯⼤学机械⼯程学院,上海200093;2 上海理⼯⼤学材料科学与⼯程学院,上海200093)摘要综述了A lCr N 涂层、以AlCrN 为基的多元涂层和纳⽶技术涂层的研究现状,侧重描述了其结构、热稳定性、抗腐蚀性和机械加⼯性能,并重点介绍了Al 在涂层中的作⽤及影响。

研究表明:在AlCrN 涂层中添加某些合⾦元素可进⼀步提⾼其综合性能;应⽤纳⽶技术形成的纳⽶多层结构和纳⽶复合结构也能促进AlCrN 涂层性能的提⾼。

对A lCr N 涂层进⾏多元化以及纳⽶技术的应⽤是该涂层材料今后的发展⽅向。

关键词 A lCr N 涂层纳⽶涂层⼒学性能抗腐蚀性耐磨性Progress in Research of AlCrN Hard Coating MaterialsZHENG Kangpei 1,LIU Ping 2,LI Wei 2,M A Feng cang 2,WANG Juntao 1(1 Schoo l of M echanical Engineer ing ,U niversit y of Shanghai fo r Science and T echnolog y,Shanghai 200093;2 School ofM aterials Science and Engineer ing,U niversity of Shanghai fo r Science and T echnolog y,Shang hai 200093)Abstract T he general develo pments o f A lCr N coating ,A lCrN based mult-i element and nano -techno lo gy coating are summarized.T he micro st ruct ur e,thermal stability,co rr osio n r esistance and mechanical pro pert ies o f the coatingmaterials are described and the effects of A l element is paid par ticular att ention to.T he results show that adding some alloy ing elements into AlCrN co ating mater ials can impr ove the over all pr operties.T he application of nano -technolo gy can lead to the nanomult ilay er and nanoco mpo site str uctures in AlCrN based mater ials,w hich can also enhance the comprehensiv e propert ies.T he effect and applicatio n o f mult-i element and nano -technolog y are the development dir ec -tion of A lCrN coating mat erials in the future.Key words A lCr N co ating,nano co atings,mechanical pro per ty,cor rosion resistance,wear resistance*上海市科委资助项⽬(0811*******)郑康培:男,1983年⽣,硕⼠⽣,主要从事新型涂层材料的研究0 引⾔随着⼯业材料、机床性能的提升和环境保护要求的提出,传统⼑具已不能满⾜切削要求,为此,⼈们开发了涂层⼑具,即通过⽤化学或物理的⽅法在⼑具表⾯涂覆⼀层性能优异的⾦属化合物,赋予⼑具硬度⾼、耐摩擦磨损、摩擦系数低、传热系数⼩、化学活性稳定等新特性,提⾼了在⾼速、⾼温、⾼压、重载、腐蚀介质环境下⼯作的可靠性,延长了⼑具的使⽤寿命。

相对较小的摩擦 因数 ；较高频率下微织构表现 出较好 的润滑和减摩效果 ；沿运动方向的微织构间距增大，摩擦 因数逐渐
降低 ，超 过 Ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ 接 触 直径 之 后 ，摩擦 因数 变化 不 明 显 ；垂 直 于运 动 方 向 微 织 构边 长增 大 ，摩 擦 因数 呈 现 先 减 小 后 增 大
表 面 微 织 构 影 响 点 接 触 润 滑摩 擦 性 能 的 实验 研 究
刘洪龙 王文 中 赵 自强 孔 凌 嘉
北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ） （ 北京理工大学机械 与车辆学 院
摘 要 ：针 对球 一盘 高 副点 接 触 开展 微 织 构表 面 摩 擦学 性 能 实 验 研 究 。 采 用 激 光 工 艺 在 试 样 表 面 上 加 工 出 具 有 一 定 形 状 、深 度 和面 积 比的矩 形 微 织构 ，采 用 三维 表 面形 貌 仪 测 量 微 织 构 的形 貌 特 征 ，在 摩 擦 磨 损 实 验 机 上 进 行 摩 擦 学 实 验 ，研 究往 复运 动模 式 下 微 织构 深 度 、间距 等 参数 对 球 一盘点 接 触 润滑 摩 擦性 能 的影 响 。结 果表 明 ：较 浅 的微 织 构 具 有
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
２ ０ １ ４年 １月 第３ ９卷 第 １ 期
润滑 与密封
Ｌ ＵＢＲＩ ＣＡＴＩ ＯＮ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ

第27卷　第3期摩擦学学报Vol27,　No3 2007年5月T R I B OLOGY May,2007A l/A lN多层膜的摩擦磨损性能研究张广安1,吴志国1,2,王明旭1,范晓彦1,王君1,闫鹏勋1,3(1.兰州大学等离子体与金属材料研究所,甘肃兰州　730000;2.兰州理工大学甘肃省省部共建有色金属新材料国家重点实验室,甘肃兰州　730050;3.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州　730000)摘要:采用柱状靶磁控溅射系统制备A l/A l N纳米多层膜,采用纳米压痕仪测量A l/A l N纳米多层膜的纳米硬度,在UM T22M型摩擦磨损试验机上评价其摩擦磨损性能.结果表明:当A l N层较厚时,薄膜在很短时间内被磨穿;调节A l/A l N层厚比为2.9/1.1时,薄膜的摩擦磨损性能明显提高;当保持A l/A l N层厚比为2.9/1.1、变化多层膜的调制周期时,薄膜的摩擦系数较低,但硬度较低的薄膜由于承载能力不够,不能够保持优良的摩擦磨损性能.关键词:磁控溅射;A l/A l N多层膜;摩擦磨损性能中图分类号:T H117.3文献标识码:A文章编号:100420595(2007)0320204206 与单层薄膜相比,纳米多层薄膜的硬度、断裂韧性、抗摩、抗氧化及耐腐蚀性能等明显提高[1].采用多层膜有利于减少薄膜表面及其层间的开裂倾向,在达到提高硬度的同时改善其摩擦磨损性能[2,3].目前已有针对金属/陶瓷多层膜摩擦磨损行为的研究[4～7].由于镀层中金属层较软且延展性好,易于屈服,从而使得接触面积增加,降低了接触应力和摩擦,而薄膜中的陶瓷层起到承载作用,有利于降低磨损[8～10].铝质材料由于质轻、耐腐蚀、比强度高等优点而广泛用于航空航天等国防工业及其它高新技术产业.但是,采用传统铝质材料改性技术(如阳极氧化膜)的摩擦系数很高,耐磨性与现代复合制膜技术相比有一定局限性[11,12].氮化铝是近几年发展起来的新型材料,其耐高温、抗腐蚀、导热性好及热膨胀系数低,具有较高抗热震性和硬度及良好的耐磨性能,在机械、电学及光学领域广泛应用[13,14].但是作为结构材料,其粘接力不能满足实际要求,而多层膜对改善耐磨性和提高其耐用效果十分显著[15].本文作者采用磁控溅射法制备A l/A l N纳米多层膜,并研究A l单层和A l N单层厚度比例和调制周期对A l/ A l N多层膜的摩擦磨损性能影响,初步探讨其磨损机理.1　实验部分采用柱状靶磁控溅射系统[16],以工业纯A l(纯度>99.0%)为靶材,在单晶硅片表面制备A l/A l N 纳米多层膜.将单晶硅片用丙酮和乙醇超声清洗后置于真空室的中,溅射前将真空室气压预抽至低于3×10-3Pa.采用A r和N2气体作为溅射和反应气体,通过两台独立的质量流量控制仪控制进入真空室的气体.薄膜沉积条件为:沉积A l层时所用A r气流量为40scc m,气压0.5Pa,功率450W;沉积A l N 层时所用N2气流量为50scc m,气压为0.75Pa,功率为750W.多层膜的调制厚度由沉积时间控制,调制层种类由通气种类控制.为了改善膜2基界面结合力和表面的抗氧化性能,在硅基片上最先沉积A l层作为与硅片的过渡层,最外层沉积A l N层以防止薄膜表面的深度氧化.第一组样品固定A l层厚度为2.9n m,A l N层厚度从1.1～6.8nm变化,用于研究其摩擦磨损性能;第二组样品固定A l/A l N层厚比为2.64/1,调制周期为4～24nm.具体参数见表1.采用MTS公司产Nano I ndenter XP Syste m型纳米压痕仪测量A l/A l N多层膜的纳米硬度,在压入深度为50n m的范围内进行测量,取5次硬度测量结果的平均值为测试结果.薄膜的硬度数值见表1.基金项目:甘肃兰州理工大学有色金属新材料国家重点实验室(培育基地)开放课题资助(SK L04001);国家自然科学基金资助项目(60376039).收稿日期:2006206206;修回日期:2006210216/联系人吴志国,e2mail:zg wu@作者简介:吴志国,男,1978年生,博士,讲师,目前主要从事等离子体薄膜沉积与材料表面改性研究.表1　A l/A lN 多层膜的基本工艺参数和硬度Table 1　Process param eter and hardness of the A l/A lN m ultil ayersSa mp le NumberA l layer thickness/nmA l N layer thickness/nmA l/A l N rati os Total number of layersNano hardness/GPa A1 2.9 6.80.434011.67A2 2.9 4.50.64409.79A3 2.9 2.3 1.26409.95A4 2.9 1.1 2.64408.80B2 5.7 2.3 2.643015.71B311.5 4.5 2.642224.50B417.26.82.64305.11 采用美国CET R 公司产UMT 22MT 型摩擦磨损试验机评价薄膜的结合强度和摩擦磨损性能.用刻划模式测试粘结力,金刚石划头曲率半径0.4mm ,载荷从0.01～4.00N 连续,加载速率0.01N /s,刻划长度为5mm ,以摩擦力突变时的结果认定为薄膜被划穿,划穿时的载荷称为临界载荷(L c ),其反映了薄膜与基体之间的结合强度.摩擦磨损性能测试采用往复滑动方式,频率5Hz,单次滑动行程6mm ,法向载荷1N,环境温度25℃,相对湿度RH =25%,偶件为3mm 的GCr15钢球(硬度6.1GPa ).采用光学显微镜观察薄膜的磨痕表面形貌.2　结果和讨论2.1　A l/A lN 多层膜的结合强度图1示出了典型的划痕测试曲线.可见薄膜未 Fig 1　A typ ical scratch test curve of the A l/A l N multilayer图1　A l/A l N 多层膜的划痕测试曲线剥落前,摩擦力随着载荷增加呈现线性变化,且无明显波动,当加载力增至临界载荷(L c )时薄膜出现剥落,摩擦力出现明显波动,将其定义为薄膜的结合强度.图2示出了A l/A l N 多层膜的结合强度.可见:样品A1和A2的结合强度较低(小于0.5N ),说明当A l N /A l层厚比例较大时,在刻划测试过程中 Fig 2　Bonding force of the A l/A l N multilayers图2　A l/A l N 多层膜的结合力A l 层不能有效阻挡A l N 层的界面剪切应力,容易出现薄膜破裂;而A l N /A l 层厚比例较小的多层膜结合强度均在2N 左右,说明相对较厚的A l 层可以减缓A l N 层在加载过程中产生的界面剪切应力,薄膜不易破裂且结合强度较高.2.2　A l/A lN 层厚比对多层膜的摩擦磨损性能影响图3示出了第一组A l/A l N 多层膜在载荷1N 、滑动频率5Hz 下,同GCr15钢球对摩时摩擦系数随滑动时间变化的关系曲线.可以看出,A l/A l N 层厚比为0.43、0.64和1.26的多层膜的摩擦系数较高且其波动幅度很大,在很短时间内薄膜的摩擦系数开始增大而使薄膜失效,而A l N 层厚度为1.1nm (A l/A l N 层厚比为2.64)的多层膜的摩擦系数很稳定,显示出良好的减摩抗磨性能.当A l N 层厚度为6.8n m (A1样品)时,A l/A l N 多层膜的摩擦系数较高,由于膜基结合力小,在很短时间内摩擦系数达到0.7[图3(a )],意味着薄膜磨穿.从图4(a )可见,薄膜的磨痕表面呈现出明显的剥落迹象,薄膜磨损表502第3期张广安等:　A l/A l N 多层膜的摩擦磨损性能研究面出现层状剥离和断裂特征且磨痕较宽,与原始薄膜表面相比,磨损表面较粗糙和疏松,呈现出剥离后的层状颗粒界面.这是由于材料受到挤压并发生塑性变形而使薄膜剥落的缘故.脱落的薄膜颗粒(硬度较高)在薄膜与偶件球接触表面形成了三体磨损,同时在涂层磨损表面产生了犁削.当A l N层厚度降至4.5nm(样品A2)时,A l/A l N多层膜的摩擦系数反而升高,且摩擦系数在很短时间内升至0.7,当A l N层的厚度降为2.3nm(样品A3)时,薄膜的结合力很高,薄膜的耐磨寿命略微增加,其磨痕宽度较A l N层厚度为6.8n m的多层膜的厚度略有减小[见图4(b)].由图3可见,A1样品的摩擦系数波动很大,而A2和A3样品的摩擦系数波动较小,这是由于薄膜硬度较低的缘故(表1).当A l N层厚度降至1.1n m(样品A4)时,薄膜的摩擦系数明显降低[图3(d)],且在很长一段时间(>3600s)内保持在0.15左右[见图5(a)],说明在这种A l/A l N层厚比下薄膜的摩擦性能大幅提高,经过3600s磨损后磨痕宽度较小,磨痕表面相对光滑,没有出现明显的剥落[图4(c)].对比其硬602摩　擦　学　学　报第27卷度可见,随着A l N层厚度增加硬度变化不大,说明存在最佳层厚比(A l/A l N=2.9/1.1),使得多层膜具有优异摩擦磨损性能.2.3　调制周期对多层膜的摩擦磨损性能影响图5示出了不同调制周期下A l/A l N层厚比为2.9/1.1的A l/A l N多层膜与钢球对摩时,摩擦系数与滑动时间变化的关系曲线.可以看出,调制周期为8n m(样品B2)和16nm(样品B3)的多层膜由于硬度(分别为15.71GPa和24.50GPa)较高,在摩擦初期摩擦系数出现波动,随着时间增长,摩擦系数稳定在0.2～0.3之间.而调制周期为24n m(样品B4)的多层膜的摩擦系数较高且波动很大,说明在此调制周期下多层膜因硬度(仅为5.11GPa)较偶件球的硬度还要低,在摩擦过程中显示出不同的磨损机理.图6示出了不同调制周期的A l/A l N多层膜与GCr15钢球对摩后的磨痕表面形貌显微照片.可见, B2样品的磨痕底部较粗糙,其摩擦系数波动较大,但没有明显的剥落和裂纹[图6(a)].由于B3样品硬度(24.5GPa)较高,在摩擦初期摩擦系数波动较大,其磨痕两边有轻微剥落迹象,但磨痕底部较光滑且没有明显磨屑,其摩擦系数较稳定,没有出现膜层剥落痕迹,说明薄膜与基体的粘结力较高.而B4样品磨痕底部非常粗糙,从图6(c)还可见片状磨屑和磨痕边的剥离迹象,说明还发生了剥层磨损,导致摩擦系数出现很大波动.A l层的延展性较好,在磨损过程中容易变形.而A l N层较脆,在磨损过程中容易破裂失效.在A l/ A l N多层膜中,A l N层较厚时A l层不能有效阻止A l N层破裂而造成薄膜快速失效.当A l/A l N层厚比为2.9/1.1时,薄膜中A l层能够有效阻止A l N层失效,同时A l N层也起到了承载的作用.在摩擦试验过程中,由于摩擦产生的热量使一部分A l氧化而起到一定的润滑作用,从而使得薄膜的摩擦系数保持稳定低值.3　结论a.　当A l N层较厚时,A l/A l N多层膜在很短时间内被磨穿;当A l/A l N的层厚比为2.9/1.1时,由于薄膜中A l层能够有效阻止A l N层失效,使其摩擦702第3期张广安等:　A l/A l N多层膜的摩擦磨损性能研究磨损性能显著提高.b.　在一定的A l/A l N层厚比条件下,改变调制周期,能够保持A l/A l N膜的优异摩擦磨损性能,但是硬度较低的薄膜起不到很好的减摩抗磨作用.这是由于其承载能力很低且易剥落、摩擦系数较高且波动较大的缘故.致谢:感谢兰州大学耿柏松和陈江涛同学在样品制备方面的帮助,感谢中国科学院兰州化学物理研究所孙蓉在样品测试分析过程中的帮助.参考文献:[1]　安健,张庆瑜.Ti N/Ta 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