硬质涂层与钛合金的摩擦磨损性能研究北大核心CSCD

采用c-ARC+多弧离子镀技术在硬质合金YG8上制备了表面层分别为Ti33Al67N、Ti50Al50N和Cr30Al70lN的涂层,研究了以上涂层与TC4钛合金间的摩擦磨损行为,利用扫描电镜、电子能谱仪、显微硬度仪、划痕仪等对涂层性能及表面形貌、磨痕形貌及成分进行了表征。试验结果表明:与TC4合金摩擦时,硬质涂层最主要的磨损失效是局部撕裂,撕裂破坏程度则由涂抹的钛合金同接触物资形成的粘着节点的强度来决定。低载荷下,表面为高铝含量的Ti33Al67N涂层同TC4合金对磨时表现较佳,优于表面为中铝含量的Ti50Al50N涂层和Cr30Al70N涂层,而在高载荷下,则表面为Cr30Al70N的涂层的耐磨性较佳。     

汽车半轴40Cr钢表面溅射W-Si-N涂层的力学性能和室温摩擦磨损性能

为了提高汽车半轴耐磨性,采用射频磁控溅射仪在汽车半轴用钢(40Cr钢)表面沉积了一系列不同Si含量的W-Si-N涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕仪和高温摩擦磨损仪等对W-Si-N涂层的结构、力学性能和高温摩擦磨损性能进行了表征。结果表明:W-Si-N涂层由面心立方的W-Si-N相和非晶Si3N4相组成,呈(200)择优生长;随Si含量增加,W-Si-N涂层的硬度先升高后降低,Si含量为13.2%时硬度达到最大值,约为37.0 GPa;室温环境下,随Si含量增加,摩擦系数和磨损率均呈先减小后增大趋势;Si含量为13.2%的WSi-N涂层的摩擦系数和磨损率均最小,分别为0.3和4.0×10-6mm3/(N·mm);与WN涂层相比,W-Si-N涂层的力学性能和室温摩擦磨损性能均得到显著提高。     

Al_2O_3/CrN_x复合膜的摩擦磨损特性

为改善铝合金零部件的摩擦磨损特性,采用微弧氧化和射频磁控溅射技术,在2A12铝合金表面制备Al2O3/CrNx复合膜。用X射线衍射仪、涡流测厚仪、纳米硬度仪、微摩擦磨损试验机、非接触表面三维形貌仪及扫描电镜对Al2O3涂层及复合膜的相组成、膜厚、纳米硬度、摩擦磨损特性和磨痕形貌等进行了研究。实验结果表明:32μm厚的多孔Al2O3陶瓷涂层由α-Al2O3和γ-Al2O3相组成,外层1.2μm厚的CrNx膜由单质Cr,Cr2N和CrN相组成;Al2O3涂层及Al2O3/CrNx复合膜的摩擦因数和磨损率都随法向载荷的增加而增大,在相同实验参数下,复合膜的摩擦因数和磨损率都远小于Al2O3涂层的,这表明在Al2O3涂层表面沉积CrNx膜能明显改善其摩擦磨损特性,将延长对偶件的使用寿命。     

轧辊表面CrAlNx涂层的摩擦磨损性能研究

采用真空离子镀的方法在材料为45钢的轧辊表面涂覆Cr Al Nx涂层,优化制备了Cr Al Nx涂层的制备工艺,研究了Cr Al Nx涂层的摩擦性能。通过现代分析手段扫描电子的显微镜(SEM)等方法进行了涂层表面形貌、涂层厚度和磨痕形貌的测试分析,研究结果表明:在GCr15配副件条件下,Cr Al Nx涂层摩擦系数均随速度和载荷的增加而降低,随着加载载荷和滑动速度的增加,GCr15配副件条件下的磨损率增大,其磨损方式主要表现为黏着磨损和磨粒磨损的混合形式。     

硬质涂层与奥氏体不锈钢摩擦磨损性能研究

采用多弧离子镀技术在硬质合金YG8上制备了表面高铝含量的Ti33Al67N、中铝含量的Ti50Al50N复合涂层和Cr_(30)Al_(70)lN单层涂层。采用摩擦磨损仪系统研究了以上涂层与奥氏体304合金间的摩擦磨损行为。利用扫描电镜、电子能谱仪、显微硬度仪、划痕仪等对涂层性能及表面形貌、磨痕形貌及成分进行表征。试验结果表明:同含钛的表面涂层Ti33Al67N和Ti50Al50N相比,Cr_(30)Al_(70)N涂层与奥氏体304合金的亲和力更低,减少了摩擦过程中304合金在Cr_(30)Al_(70)N涂层表面的涂抹量。涂层最主要的磨损失效方式是局部撕裂,局部撕裂的本质是硬质合金基体同304合金直接接触导致高强度结点。复合涂层Cr_(30)Al_(70)N/Ti_(50)Al_(50)N及单层的Cr_(30)Al_(70)N涂层膜基结合力高,表现出优于Cr_(30)Al_(70)N/Ti_(33)Al_(67)N复合涂层的抗摩擦磨损性能;前两者磨痕表面检出的W元素含量仅为Cr_(30)Al_(70)N/Ti_(33)Al_(67)N涂层的1/10。     

TiAlN和TiCrAlSiCN硬质薄膜微观结构与摩擦学性能研究

为改善H13钢的耐磨性能,本文采用工业型多弧离子镀设备在H13钢表面沉积耐磨硬质薄膜。借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、透射电子显微镜、维氏硬度计、摩擦磨损仪测试与分析TiAlN和TiCrAlSiCN薄膜的微观结构、硬度和摩擦学性能。低Al含量的TiAlN薄膜含面心立方结构的TiAlN固溶体和金属Ti相,TiAlN的200晶面呈择优取向;高Al含量的TiAlN薄膜为面心立方结构的TiAlN固溶体,111晶面呈择优取向。低Al含量的TiAlN薄膜硬度低(1871HV_(10 g))、高摩擦系数(0.8)和高磨损率(9.53×10~(-6)mm~3/N·m),高铝含量的TiAlN薄膜具有高硬度(3521 HV_(10 g))、摩擦系数明显下降(0.59)。TiAlN薄膜中加入Cr、Si和C元素形成的TiCrAlSiCN薄膜,其结构为纳米晶和非晶的复合结构,摩擦系数和磨损率降低是由于非晶相起减摩作用、纳米晶氮化物起耐磨作用;尤其低Si高C含量TiCrAlSiCN薄膜具有低摩擦系数(0.48)和磨损率(7.28×10~(-6)mm~3/(N·m)),高硬度(3613 HV_(10 g))。     

氮化物硬质涂层中Cr、Ti和Al元素对摩擦磨损特性的影响

利用四靶闭合场非平衡磁控溅射(CFUBMS)技术在石英玻璃和抛光不锈钢片两种基底上制备含有Cr、Ti和Al元素组合的各种氮化物涂层.采用摩擦磨损仪测试涂层摩擦系数,应用金相显微镜对各个涂层磨痕形态进行分析,结果表明TiN、CrN、TiAlN、CrAlN以及CrTiAlN涂层的摩擦系数依次减小,耐磨特性依次提高;结合涂层的X射线光电子能谱分析,可以得到含有Al元素涂层中形成了AlN的结构,提高涂层的硬度,增加耐磨特性;在涂层中含有Cr元素形成了氧化物Cr2O3可以提高涂层自排屑能力,减小摩擦系数,增加耐磨特性,含Ti元素形成的氧化物TiO2则不利于涂层的摩擦磨损特性;由于CrTiAlN本身具有比三元氮化物更高的涂层硬度,且含有Al和Cr元素,因此该涂层具有最好的摩擦磨损性能.     

Al(Ni)含量对钛合金激光熔覆AlNiMoSi复合涂层摩擦学性能的影响

研究含Al、Si元素涂层的摩擦学性能可为其应用提供重要的理论参考。以Al、Ni、Mo、Si粉末为原料,采用激光熔覆技术在Ti6Al4V合金表面制备了Al质量分数分别为20%(Ni的为40%),30%(Ni的为30%),40%(Ni的为20%)的AlNiMoSi复合涂层,分别命名为20Al、30Al、40Al复合涂层。采用XRD、SEM和EDS分析了涂层的物相和显微组织,并测试了复合涂层的干滑动磨损性能。结果表明:20Al、30Al和40Al复合涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.380,0.258,0.325和9.36×10~(-5),8.43×10~(-5),1.05×10~(-4)mm~3/(N·m),30Al复合涂层的磨损性能最好,主要是因为该涂层中TiC和Ti3Al含量较高;20Al和40Al复合涂层的磨损机理主要为黏着磨损和磨粒磨损,30Al复合涂层的磨损机理主要为轻微的磨粒磨损。     

钻杆接头材料表面陶瓷复膜摩擦磨损行为

为了提高钻杆接头的耐磨损性能,选用由Ti、Cr、Al的氮化物、碳化物和氧化物所构成的金属陶瓷在钻杆接头材料(37CrMnMo)表面制备了多层陶瓷膜层。采用金相显微镜和扫描电子显微镜对金属陶瓷膜层的表面形貌及组织结构进行了分析。用MST3000摩擦磨损试验仪对钻杆接头材料进行旋转摩擦试验,得到表面陶瓷涂层摩擦系数的变化规律,结合摩擦副表面形貌观察和磨屑成分分析,分析了表面陶瓷涂层的耐磨性,探讨了表面陶瓷涂层的动态摩擦磨损机理。结果表明,在摩擦的初始阶段,表面陶瓷涂层摩擦系数急剧增加,随后稳定于某一定值,并在该值附近波动,波动范围逐渐增大。随着磨球被磨平,磨损形式由点面接触磨损,逐渐转换为面面接触磨损,磨斑面积不断增大。摩擦磨损开始以磨粒磨损为主,随着摩擦过程中挤压的加剧和温度的升高,磨屑发生塑性变形,形成不断增厚的转移层,覆盖于对磨面上,阻碍陶瓷涂层与对磨件的直接接触,从而减轻陶瓷涂层的摩擦磨损。     

Ti_3SiC_2-Ag复合材料与不同摩擦配副的摩擦磨损性能

采用放电等离子烧结技术制备了Ti3Si C2-Ag复合材料,研究了其在室温下与Si3N4、Al2O3、Si C等摩擦配副对摩时的摩擦磨损性能,并与纯Ti3Si C2材料在相同摩擦配副条件下的摩擦磨损性能进行了对比。运用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪等对磨损表面的形貌组织和元素价态等进行了表征分析,并探讨了摩擦磨损机理。结果表明:摩擦配副材料的不同对Ti3Si C2-Ag复合材料的摩擦磨损行为有显著影响,Ti3Si C2-Ag复合材料与Si C和Si3N4对摩时,磨损率均较低,尽管存在晶粒拔出等机械磨损,但Ti O2和Si Ox等摩擦氧化膜的形成有效地抑制了晶粒拔出并起到了减摩作用;Ti3Si C2-Ag复合材料与Al2O3对摩时磨损率则较高,以脆性断裂、晶粒拔出为主的机械磨损是该摩擦副的主要磨损机制。Ti3Si C2材料与Si3N4和Al2O3对摩时,包含脆性断裂、晶粒拔出、脱落以及磨粒磨损在内的机械磨损是其主要的磨损机制;Ti3Si C2材料与Si C对摩时,磨损表面的塑性变形和氧化膜起到了抑制晶粒拔出的作用,使得Ti3Si C2的磨损率相对较低。     

电火花沉积AlCoCrFeNi高熵合金涂层的高速摩擦磨损性能

通过与传统电镀硬Cr涂层比较,研究了电火花沉积AlCoCrFeNi涂层的高速摩擦磨损性能。采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机测试涂层的纳米力学性能和摩擦系数,采用SEM、TEM、EDS和XRD分析涂层的微观结构、成分及相组成。结果表明,AlCoCrFeNi涂层晶粒细小,组织致密无裂纹,由BCC和FCC两相构成; AlCoCrFeNi涂层的硬度较硬Cr涂层的硬度提高了约10%,弹性模量降低了约8%,并具有更高的H/E与H3/E2值;与淬火GCr15钢球对磨时,当加载载荷为10 N、往复行程为10 mm、往复速率为800 r/min,AlCoCrFeNi涂层在稳定摩擦阶段的摩擦系数仅为0.25～0.33,而硬Cr涂层为0.65～0.73,AlCoCrFeNi涂层的磨损率较硬Cr涂层的磨损率减小了约41%;硬Cr涂层的磨损机制主要为粘着磨损,失效方式为因脆性裂纹扩展而产生的剥落,而AlCoCrFeNi涂层的磨损机制主要为微切削的磨粒磨损和氧化磨损,摩擦磨损过程中形成的氧化物层提高了涂层的耐磨性能。综上,AlCoCrFeNi涂层较硬Cr涂层具有更好的高速摩擦磨损性能。     

TiSiN-Ag磁控溅射薄膜的微结构和性能

为了研究Ag元素对Ti Si N薄膜结构及性能的影响,通过磁控溅射法制备了不同Ag含量的Ti Si N-Ag薄膜,采用EDS,XRD,XPS,TEM,CSM纳米压痕仪,UMT-2摩擦磨损仪和BRUKER三维形貌仪对薄膜的成分、微结构、力学性能和摩擦磨损性能进行了研究。结果表明:Ti Si N-Ag薄膜是由面心立方Ti N相、非晶Si3N4相和面心立方单质Ag相组成,单质Ag相的存在阻碍Ti N晶粒的生长;随Ag原子分数的增加,单质Ag相增加,导致Ti Si NAg薄膜的硬度和弹性模量逐渐下降;单质Ag相具有润滑作用,使薄膜硬度降低,磨痕中的硬质颗粒减少,摩擦系数从0.70降至0.39,磨损率也逐渐降低。     

(Ti,Al)C涂层的液相脉冲放电制备及其滑动磨损性能

为了制备耐磨性和抗氧化性优良、结合力高的多元合金涂层,利用普通电火花机床通过液相脉冲放电法在调制态45钢基体上制备了(Ti,Al)C涂层,采用X射线衍射仪(XRD)分析了涂层的相组成,利用带有能谱分析仪的扫描电镜观察了涂层的界面组织、分析了涂层的元素成分,采用显微硬度计测试了涂层的硬度,采用摩擦磨损试验机考察了涂层的滑动磨损特性。结果表明:液相脉冲放电法制备的涂层厚约30μm,主要物相为(Ti,Al)C,从涂层到基体,试样硬度呈梯度递减,涂层表面硬度高达2 100 HV以上;与淬火低温回火45钢配副时,摩擦系数较低且稳定;摩擦磨损试验载荷为100～200 N时,涂层表面出现轻微塑性变形,磨损机制为塑性流变;载荷为300～400 N时,涂层磨损面出现浅而细的平行状犁沟,磨损机制为轻微磨粒磨损。     

Inconel 718合金表面纳米多层CrAlN/CrN涂层的制备及高温摩擦学性能研究

为提高Inconel 718合金的表面硬度和高温摩擦磨损性能,采用多弧离子镀技术在其表面制备CrAlN/CrN涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪和划痕仪等对涂层的微观结构、力学性能进行分析表征。使用UMT摩擦磨损试验机测试涂层在室温、350℃和650℃下的摩擦性能,并对磨痕的形貌特征、元素分布和物相进行分析,分析涂层在不同温度下的摩擦磨损机制。结果表明：纳米多层CrAlN/CrN涂层微观结构致密,主要由fcc-CrN相组成,择优取向为(200)晶面;CrAlN/CrN涂层在Inconel 718合金表面具有良好的力学性能,其硬度和结合力分别为(29.3±1.2) GPa和70.4 N;涂层在室温和350℃下具有优异的耐磨性,磨损率分别低至1.5×10^-6 mm³/(N·m)和1.7×10^-6 mm³/(N·m),主导的磨损机制分别为磨粒磨损和疲劳磨损;650℃时涂层达到最低摩擦系数(0.33),但磨损率有所升高,主要表现为磨粒磨损。     

高速电弧喷涂Fe-Al/WC复合涂层的高温摩擦磨损特性

采用滑动磨损试验方法研究在室温至650℃温度下高速电弧喷涂Fe—A1／WC金属间化合物复合涂层与Si3N4陶瓷球配副时的摩擦磨损特性，并探讨复合涂层的高温摩擦磨损机理。结果表明，随着试验温度的升高，Fe—Al／WC复合涂层的摩擦系数降低，而磨损率仍保持在较低的水平。高温下复合涂层滑动摩擦系数降低的主要原因是由于磨损面发生摩擦氧化反应而形成的起到固体润滑的作用氧化物保护层。剥层磨损是Fe—Al／WC复合涂层高温磨损的主要机理。涂层中Fe3Al和FeAl金属间化合物相较高的高温强度和硬度，能有效地阻碍裂纹的产生、扩展及扁平颗粒的断裂，从而使复合涂层表现出优异的高温耐磨性。650℃时Fe—Al／WC复合涂层的磨损率有所提高，这可能与高温下涂层表面WC颗粒的氧化和脱碳分解有关。     

40Cr表面电子束Al合金化的表面性能分析

利用强流脉冲电子束对40Cr材料进行表面Al合金化,对比分析了其合金化前后的表面粗糙度和表面硬度,对合金化前后的样品进行了微动摩擦磨损实验,并对摩擦磨损实验过程的摩擦系数和磨损量进行了考察分析。实验结果证明40Cr表面电子束Al合金化对试样表面粗糙度的影响具有两面性,40Cr表面电子束Al合金化后样品硬度有所提高,经电子束合金化的样品摩擦系数在磨损初期都很小,随着摩擦磨损的进行摩擦系数出现突变现象,增大后的摩擦系数与原始样品相当。40Cr材料表面经电子束Al合金化后,微动摩擦性能得到提高。     

冷喷涂Ti/WC复合涂层的组织与耐磨性研究

为解决钛及其合金磨损性能较差的问题,采用高压冷喷涂技术在Ti6Al4V合金基体上沉积了2种不同成分的Ti/WC复合涂层,通过室温下的干滑动摩擦磨损试验分别测试了基体与复合涂层的摩擦性能,并采用扫描电镜及拉曼光谱对磨损表面进行了观察与表征。结果表明,与Ti6Al4V基体的磨损率(4.06×10^-7 mm³/(N·m))相比,复合涂层的磨损率降低了一个数量级,表现出优异的耐磨性。此外,涂层内WC含量的增加,提高了涂层的显微硬度,涂层的耐磨性也随之提升。在磨损轨迹表面,由TiO₂、WO₃以及WC碎片构成的摩擦膜能够有效避免磨球与涂层表面的直接接触,从而降低磨损程度。因此,冷喷涂Ti/WC复合涂层在钛合金磨损防护方面具有一定的应用前景。     

8Cr4Mo4V钢表面减摩耐蚀涂层研究

为了提升8Cr4Mo4V钢表面的减摩耐蚀性能,利用真空磁控溅射镀膜技术,在单晶硅P(111)、8Cr4Mo4V钢表面分别制备了WCx和CrN/WCx2种涂层.采用扫描电子显微镜(SEM)观察了涂层截面形貌,采用UMT高温摩擦磨损试验机、台阶仪、纳米压痕仪、电化学工作站和盐雾试验机分别研究了8Cr4Mo4V钢和2种涂层的摩擦磨损性能、硬度和弹性模量、电化学腐蚀性能和耐盐雾腐蚀性能.结果 表明:涂层截面结构致密均匀,涂层的增加使8Cr4Mo4V钢的摩擦系数降低至0.20以下,磨损率降低2～3个数量级,纳米硬度提高3倍以上,弹性模量降低24％左右,电化学腐蚀降低1个数量级,耐盐雾性能明显提升,涂层起到了很好的保护基材的作用.     

Cr3C2与（W,Ti）C增强氧化铝陶瓷的摩擦磨损性能

采用热压烧结技术制备了Al2O3/Cr3C2/(W,Ti)C复合陶瓷材料,对其物理力学性能、摩擦磨损性能进行测试,用扫描电镜(SEM)对其磨损表面进行观察。结果表明:Al2O3/Cr3C2/(W,Ti)C陶瓷材料具有良好的综合力学性能,在与硬质合金YG8圆环的对磨中表现出较高的减摩抗磨性能,摩擦因子与磨损率较单相Al2O3降低近50%。对其磨损机理研究认为,磨粒磨损为主要磨损机制,高的强度和韧性是其具有良好耐磨性能的主要原因。     

等离子喷涂陶瓷层的摩擦磨损性能及机理

为了提高叼纸牙表面的摩擦磨损性能,采用等离子喷涂技术在T10钢基体上分别喷涂了5种氧化物陶瓷涂层,对5种涂层摩擦磨损的性能及机理进行了研究.结果表明:与Al2O3/Cr2O3复合涂层相比,100%Al2O3和100%Cr2O3陶瓷涂层的摩擦系数和体积磨损量都比较低,摩擦磨损性能更优;Al2O3/Cr2O3复合涂层磨损机理主要为磨粒磨损,而100%Al2O3和100%Cr2O3涂层则主要为疲劳磨损.