掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展

类金刚石(Diamond like carbon,DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率的特点,已广泛应用于各行各业,但也存在内应力大、热稳定性差以及摩擦学性能对环境敏感等问题,制约了DLC薄膜的应用.在DLC薄膜中,掺入异质元素能够改变薄膜成分、微观结构和sp3杂化键含量,可有效地减小薄膜内应力,提高结合力并改...     

Cr/WC/DLC薄膜的多环境摩擦学性能

采用磁控溅射法,在304不锈钢上制备Cr/WC/DLC多层梯度过渡类金刚石薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)、纳米压痕仪、划痕测试仪等分析薄膜的微观结构和力学性能,利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机考察其在大气、去离子水、发动机油3种环境下的摩擦学性能。结果表明:该薄膜的多层梯度设计使其膜基间结合力得到了有效改善,且硬度高达32.6GPa,在3种环境下均具有优异的摩擦学性能。在大气环境下,薄膜具有较低的平均摩擦因数,为0.094;但具有3种环境下最大的磨损率,为7.86×10-8 mm3(N·m)-1;在去离子水环境下,薄膜的平均摩擦因数较高,为0.124;而其磨损率较低,为5.26×10-8 mm3(N·m)-1;在发动机油环境下,固-油复合润滑效应使薄膜具有更加优异的摩擦学性能,其平均摩擦因数和磨损率均为3种环境下的最小值,分别为0.065和4.44×10-8 mm3(N·m)-1。     

高熵合金薄膜微观结构与摩擦学性能的研究综述

在机械系统运行中存在的摩擦磨损问题直接影响系统的工作效率、运行可靠性和使用寿命。如何降低摩擦磨损对机械系统运行的影响至关重要。通过特殊的表面处理工艺在关键工件表面沉积耐磨损、自润滑的薄膜在众多的减摩降损方法中效果突出。相较于传统薄膜,高熵合金薄膜具有独特的微观结构和优异的力学性能,在摩擦领域表现出极佳的发展潜力。概述了近年来有关高熵合金薄膜的研究进展。首先介绍了高熵合金薄膜的基本概念和制备方法,论述了这些制备方法的原理、优缺点和适用领域。其中,通过磁控溅射法制备的高熵合金薄膜的表面光滑致密、成分均匀性好、膜基结合强度较高、组织结构可控,该方法已成为高熵合金薄膜最常用的制备方法。重点论述了采用磁控溅射法来调节元素组分、工艺参数、界面结构对高熵合金薄膜的微观结构和摩擦性能的影响,并从耐磨损性和减摩自润滑性等方面分析改善高熵合金薄膜摩擦学性能的关键因素。高熵合金薄膜具有硬质的组织结构、表面光滑致密、膜基结合牢固等特点,这是提升耐磨损性能的关键。通过复合自润滑相或氧化磨损诱导生成致密的润滑膜,可显著改善其减摩性能。总结了目前研究中存在的问题和不足,并就未来高熵合金薄膜在摩擦领域的研究方向进行了展望。     

梯度掺杂和纳米多层调制类金刚石薄膜的摩擦学性能

采用阴极电弧结合离子源辅助磁控溅射复合技术,充分利用薄膜组成多元化、晶体纳米化、组成和结构多层化、梯度化的优势,分别制备了多元素复合过渡层缓冲的钨元素梯度掺杂的和Cr元素纳米多层调制的类金刚石(DLC)薄膜,研究掺杂元素含量和调制层厚度对薄膜组成与结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。梯度掺杂、多元、多层结构降低了DLC膜和钢基体之间因组成和结构不同产生的应力,改善了膜基结合力,材料综合耐磨损性能大幅度提高。     

磁控溅射沉积BC_x薄膜的摩擦学性能

探索具有优良摩擦学性能的BCx薄膜的制备方法具有重要意义,文中采用闭合场非平衡磁控溅射碳化硼靶和石墨靶(纯度均为99.9%)的方法,在38CrMoAl齿轮钢和Si(100)表面沉积BCx薄膜,利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱、纳米压入仪、CSM摩擦磨损试验机和X射线光电子能谱仪(XPS)分别分析了BCx薄膜的结构特征、力学性能和摩擦磨损性能,得到了石墨靶电流对碳化硼薄膜结构和性能的影响规律。结果表明:相同的沉积时间内,BCx薄膜的厚度随石墨靶电流的增加逐渐增大,硬度、弹性模量逐渐降低,微观形貌的柱状结构特征越来越明显;增加石墨靶电流可以提高BCx薄膜的摩擦学性能,当石墨靶电流为2.4A时,BCx薄膜的摩擦因数稳定在0.2左右,且具有最佳的耐磨性能。     

CrSiN纳米复合薄膜的摩擦学性能

采用中频非平衡反应磁控溅射技术在单晶硅P(111)基材上制备了CrSiN纳米复合薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、Kevex能谱仪(EDX)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪对薄膜的相结构、化学成分组成和力学性能进行了测试分析。利用球-盘式摩擦磨损试验机(UMT-2)考察了薄膜和GCr15钢球对磨的摩擦学性能并采用扫描电镜(SEM)观察磨痕形貌。结果表明:CrN薄膜中Si元素的掺杂改变了薄膜晶体结构,所制备的CrSiN复合薄膜为多相复合结构,即nc-CrN/aSi3N4所组成的纳米晶/非晶复合结构。CrSiN纳米复合薄膜的力学性能均优于CrN薄膜,其硬度均高于CrN薄膜的硬度,其中Si原子数分数为12.6%时薄膜的硬度达到最大,对应纳米晶/非晶复合强化。CrSiN纳米复合薄膜的摩擦因数低于CrN薄膜,具有很好的抗磨损性能,并具有一定的润滑作用。     

硬质合金基体金刚石薄膜摩擦学性能研究的进展

硬质合金基体表面沉积金刚石薄膜可以提高其硬度和耐磨性,延长其使用寿命,有效保护和节约钨、钴等稀有金属。作为一种多晶膜,金刚石薄膜的摩擦系数直接影响了其在摩擦学领域的应用。对近年来硬质合金基体表面CVD金刚石薄膜的摩擦磨损性能的研究状况进行了阐述,分析了CVD金刚石薄膜在摩擦实验过程中的摩擦磨损机制,并对金刚石薄膜在摩擦学领域中的应用研究进行了展望。     

IBED Si3N4和TiN薄膜的成份、结构与摩擦学性能

本文考察了工艺参数对离子束增强沉积(IBED)氮化硅、氮化钛薄膜的成分和徽观组织的影响。测定了薄膜的硬度以及薄膜与基体之间结合力，分析了成分和结构与薄膜的硬度和结合力的关系。考察了在不同载荷和速度条件下Si3N4、TiN薄膜和52100钢试样的摩擦系数和耐磨性。结果显示，与无膜的52100相比，IBED Si3N4和IBED TiN的耐磨性成倍提高，探讨了薄膜的磨损机理。     

氮化钛铝薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

用多弧离子镀方法在高速钢的基体上沉积了不同钛铝比例的氮化钛铝薄膜，研究了不同铝含量对薄膜性能的影响，采SEM、XRD、AES、表面形貌仪、显微硬度计、划痕仪对薄膜的微观结构和力学性能进行了全面测试，用球盘试验机测试了薄膜的摩擦因数，在此基础上讨论了铝在薄膜中的作用。结果表明Al的引入使膜层的硬度明显提高。所有的(Ti，Al)N试样皆由面心立方晶格(fcc)的(Ti0．5Al0．5)N相组成。随着Al含量增加，GCr15与(TiAl)N膜层之间的摩擦因数下降，减摩性能提高，耐磨性能增强。(TiA1)N涂层可以显著提高硬质合金刀具的使用寿命。     

CrN/CrAlSiN涂层海水环境下的摩擦学性能

为提高海洋装备摩擦零部件的摩擦学性能,采用多弧离子镀技术在316L不锈钢上制备了CrN/CrAlSiN涂层。通过XRD、XPS表征涂层的物相及成分,SEM和TEM表征涂层的形貌和微观结构,并用纳米压痕仪测试其硬度,采用摩擦磨损试验机对涂层在大气和海水环境中的摩擦磨损性能进行测试。结果表明:CrN/CrAlSiN涂层的微观结构主要有CrN相、AlN相以及非晶态Si_3N_4包裹CrN、AlN相,(111)择优取向最为明显;基于微观结构与CrN过渡层的设计,CrAlSiN涂层硬度高达35.5 GPa;较之于316L基底,涂层致密的结构使其在海水环境下表现出更好的耐腐蚀性能;在大气和海水环境下,CrN/CrAlSiN涂层的摩擦因数及磨损率均明显降低,在海水环境下达到最优。     

氮气流量对CrCN镀层摩擦学性能的影响

目的研究氮含量对Cr CN镀层结构和摩擦学性能的影响。方法采用微弧离子镀技术制备Cr CN镀层,通过改变氮气的流量来改变镀层中氮元素含量。利用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察镀层的截面和表面形貌,采用划痕法对镀层与基体的结合强度进行评价,采用维氏硬度计测试镀层的显微硬度,利用针盘式摩擦磨损试验机测定镀层的摩擦系数。结果当通入的氮气流量逐渐增大时,镀层由致密细小的颗粒逐步演变为含微孔的柱状组织。当氮气流量为3 m L/min时,镀层中生成的弥散分布的硬质相具有显著的强韧化作用,镀层的膜基结合力和硬度分别达到最大值41 N和1476HV,摩擦系数略微增大。继续增大氮气流量后,镀层性能有所下降。结论通过控制氮气流量来控制镀层中氮元素的含量,可以显著优化镀层结构和性能,达到结合强度、硬度和摩擦系数的最优化配置。     

不同沉积温度下CrCN涂层的力学性能

使用磁控溅射技术在304不锈钢表面制备CrCN涂层,研究了沉积温度(200、250、300、350和400 ℃)对涂层结构及力学性能的影响。研究表明,沉积温度为250 ℃时,涂层的晶粒尺寸及表面粗糙度最大,但随着沉积温度的进一步升高,涂层的晶粒逐渐细化,表面粗糙度明显下降;同时涂层硬度伴随沉积温度的升高出现先增大后减少的趋势,沉积温度为350 ℃时,薄膜具有最高的硬度(22.85 GPa),抗弹性形变和抗塑性形变能力最好,体现出优异的力学性能。     

NiCoCrAlYTa/WC-Co复合涂层的制备及摩擦学性能研究

目的 为了改善MCrAlY涂层的耐磨损性能,通过在NiCoCrAlYTa粉末中添加不同比例的硬质相WC-Co粉末（质量分数为25%、50%、75%）,将2种粉末充分地机械混合、振荡均匀后,采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术,制备不同配比的NiCoCrAlYTa/WC-Co复合涂层。方法 利用SEM、XRD、EDS等分析了复合涂层的微观形貌、物相组成和元素分布规律等;研究该复合涂层的力学性能、摩擦学性能以及摩擦磨损机理等。结果 采用HVOF技术制备的Ni CoCrAlYTa/WC-Co复合涂层结构致密,各元素及物相分布均匀;硬质相WC-Co的添加提高了涂层的显微硬度,同时也可显著改善复合涂层的耐磨损性能;复合涂层的摩擦因数随着WC-Co含量的增加逐渐增大,而磨损率逐渐减小。当WC-Co的添加量为75%时,复合涂层的摩擦因数最大,约为0.84;磨损率最小,约为9.28×10^-6 mm³/（N·m）。结论 在金属基涂层中引入硬质相WC-Co可有效提高涂层的硬度,并且提升该涂层的耐磨损性能,为金属基涂层发挥优异的摩擦学性能提供理论基础。     

? SPS烧结压力对60NiTi合金显微组织及摩擦学性能的影响

采用放电等离子烧结法在1000 ℃制备60NiTi合金,研究烧结压力对60NiTi合金的显微组织、显微硬度和摩擦学性能的影响规律;采用X射线衍射仪、扫描电镜分析60NiTi合金的显微组织,采用显微硬度仪评价60NiTi合金的显微硬度,通过摩擦磨损试验机研究60NiTi合金摩擦学性能,利用三维白光轮廓仪分析磨痕形貌并计算60NiTi合金的磨损体积,采用扫描电子显微镜分析磨痕表面形貌。试验结果表明:在25MPa烧结压力下,通过放电等离子烧结法制备的60NiTi合金显微组织均匀,主要为NiTi相和Ni3Ti相。随着烧结压力增加,60NiTi合金的显微硬度随之增加,且在50MPa烧结压力时合金的显微硬度达到最大值534 HV0.2kg。60NiTi合金的磨损率和磨痕深度随着烧结压力的增加而减小,60NiTi合金的磨损率和磨痕深度最小值分别为0.76×10-6 mm3/N?m、15 μm,其磨损机制为磨粒磨损与黏着磨损共同作用机制。     

20CrMo上沉积CrN涂层的力学性能及5W/40润滑下的摩擦学性能

在活塞销材料(20CrMo)上沉积了5种不同厚度的CrN涂层,研究其力学性能及发动机油5W/40润滑下的摩擦学性能。分别对CrN涂层的表面形貌、截面厚度、硬度、弹性模量和高温膜基结合性能进行了测试。探讨了不同接触压力和不同转速下CrN涂层与锡青铜(QSn7-0.2)配副以及基材20CrMo与QSn7-0.2配副在5W/40润滑下的摩擦学性能差异,并分析了接触电阻。结果表明:涂层沉积厚度对CrN涂层的硬度等力学参数的影响较小,但对高温膜基结合性能的影响较大。在5W/40润滑下,CrN涂层与QSn7-0.2配副在接触压力较大或较小的大部分区域都具有相对较低的摩擦因数,且磨损体积极小。     

Ti-Al-Si-N多层梯度涂层的微观结构及力学性能研究

目的 分析Ti-Al-Si-N多层梯度涂层微观结构特征和力学性能,得到涂层强化机制.方法 采用阴极电弧离子镀镀膜工艺,使用4个靶材交替沉积的方式,分别在高速钢和Si基底上制备Ti-Al-Si-N多层梯度涂层.采用X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)和纳米压痕仪对Ti-Al-Si-N多层梯度涂层晶相组织、...     

金属和陶瓷配副件条件下TiN薄膜的摩擦学特性

多弧离子镀TiN薄膜具有广泛的应用.采用多弧离子镀技术在不锈钢衬底表面沉积了TiN薄膜.用显微硬度计测试了TiN薄膜的硬度,用往复球-盘式摩擦磨损试验机评价了在GCr15和Si3N4两种不同配副件及空气中干摩擦条件下TiN薄膜的摩擦学性能,用表面轮廓仪测试了磨痕处的磨痕轮廓,用配有能谱仪(EDS)的扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)观察和测试了磨痕形貌和磨痕处主要化学元素组成,用金相显微镜观察了配副件磨损表面形貌.结果表明:在不同配副件条件下,TiN薄膜的摩擦因数随速度和载荷的增加均出现了降低的趋势.而在相同速度和载荷下,以GCr15为配副件时TiN薄膜的摩擦因数小于以Si3N4为配副件时的摩擦因数.以Si3N4为配副件时TiN薄膜主要表现为磨粒磨损.以GCr15为配副件时TiN薄膜几乎没有磨损,而配副件GCr15主要表现为磨粒与粘着磨损.     

多层梯度结构对TiAlSiN涂层摩擦磨损性能的影响

为提高304不锈钢耐磨损性能,采用磁过滤阴极弧等离子体沉积的方法制备TiAlSiN多层梯度涂层,研究多层梯度结构对涂层摩擦磨损性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的表面形貌、物相结构以及力学性能进行表征,并通过MST-3001摩擦磨损试验仪测试不同结构涂层的摩擦磨损性能。结果表明:与TiAlSiN单层涂层相比,TiAlSiN多层梯度涂层具有更高的结合力和韧性;两种涂层的摩擦因数和磨损率都远小于304不锈钢,其中TiAlSiN多层梯度涂层具有比单层涂层更低的磨损率,磨损率由2.6×104μm3/(N·m)降至8.5×103μm3/(N·m),降低了67.8%,TiAlSiN多层梯度涂层磨痕表面光滑致密,主要磨损机制为轻微粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损的协同作用。     

Tribological properties of thin hard coatings: demands and evaluation

Thin hard coatings are currently being used in a large number of tribological applications. Some important examples are tools for metal cutting and forming, and machine elements like sliding bearings, seals, valves, etc. The present paper deals with the problems of identifying the limiting factors in given tribological applications of coating composites, and how to experimentally determine their tribological responsse, with special attention given to wear.

As a means for coating development, the intricate relations between coating deposition parameters and the triboological response of the coated composite are indicated by a flow chart of relevant coating and substrate properties. It is demonstrated how the general characteristics (topography, composition, microstructure, etc.) and fundamental properties (chemical, thermal, mechanical, etc.) of coating and substrate combine to generate the tribological properties (resistance against abrasion, erosion, sliding wear, etc.), which given the tribological loading, determines the tribological response in terms of friction and wear.

A number of different test methods for tribological evaluation of coating composites are presented together with illustrative examples. The test range from four-point bending for evaluating coating fracture strength, to designated tribological tests to determine the resistance against abrsion, particle erosion, and sliding wear.     

Ni基高温自润滑涂层的显微结构及磨损性能

通过高能球磨、冷等静压及高频感应烧结在Ni基合金圆棒上成功制备HFIS304高温自润滑涂层。HFIS304成分(质量分数,下同)为NiCr(80/20)合金(60%),Cr2O3(20%),Ag(10%)和共晶BaF2/CaF2(10%)。HFIS304涂层组织致密,3种润滑相尺寸细小。研究表明,在室温到600℃的范围内,HFIS304涂层的耐磨性优于PS304涂层。