多弧离子镀制备TiSiN-Cu涂层的结构和摩擦学性能

目的通过在TiSiN涂层中掺杂软金属Cu,提高TiSiN涂层的摩擦性能。方法采用多弧离子镀技术,在316L不锈钢基体上沉积TiSiN-Cu涂层。用扫描电子显微镜(SEM)观察涂层的表面形貌,用X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线衍射仪(XRD)来分析涂层的元素组成和相组成,通过纳米压痕硬度测试和摩擦磨损实验,表征不同Cu含量TiSiN-Cu涂层的力学性能和摩擦学性能。结果 Cu含量对TiSiN涂层的结构、硬度和摩擦性能有明显影响。Cu在涂层中主要以单质形式存在,由于与空气接触,涂层表面有少量的CuO。随着Cu含量的增加,TiN的晶粒尺寸先减小后增加,硬度先升高后降低。在Cu原子数分数为6.28%时,硬度达到最大值29.26 GPa。在干摩擦条件下,TiSiN-Cu涂层的磨损率在Cu原子数分数为12.93%时达到最低,为6.65×10-7 mm~3/(N·m)。在海水环境下,涂层的磨损率较大。结论软金属Cu作为固体润滑颗粒可以明显改善Ti Si N涂层的干摩擦性能,在海水条件下,摩擦与腐蚀的交互作用加速了涂层材料的损耗。     

TiN及TiSiN涂层在海水环境下的摩擦学行为研究

目的对比研究海水环境下Ti N及Ti Si N涂层与Al2O3对磨的摩擦磨损行为。方法采用多弧离子镀技术在316L不锈钢及单晶硅片上制备Ti N及Ti Si N涂层。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及X射线光电子能谱仪(XPS)分析了涂层的截面形貌及化学组织成分。选择纳米压痕仪测量了Ti N及Ti Si N涂层的硬度及弹性模量,使用UMT-3往复式摩擦试验机研究了人工模拟海水环境下Al2O3与Ti N及Ti Si N涂层对磨后的摩擦磨损行为,并采用扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)及表面轮廓仪来深入分析了磨痕的摩擦磨损情况。结果研究表明,Ti N涂层的硬度为32.5 GPa,当Si元素掺入涂层以后,Ti Si N涂层的硬度提高到了37 GPa。同时,较之于Ti N涂层,Ti Si N涂层的腐蚀电流密度下降了一个数量级。在摩擦实验中,Ti N涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.35和5.21×10-6 mm3/(N·m),而Ti Si N涂层的摩擦系数和磨损率均有明显下降,分别为0.24和1.96×10-6 mm3/(N·m)。结论 Si元素掺杂后能显著提高Ti N涂层在海水环境下的摩擦学性能,主要归因于结构的致密,硬度、韧性、抗腐蚀性的提高及润滑相的形成。     

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。     

不同偏压对沉积CrMoN涂层耐磨性能的影响

采用非平衡闭合场磁控溅射技术,在冷作模具钢Cr12MoV表面制备不同偏压CrMoN涂层。通过XRD、SEM、显微硬度和磨损试验分析等方法考察涂层的相结构、力学性能与耐磨性。实验结果表明:呈面心立方结构的CrMoN涂层不同程度地强化了基体表面(HV_0.25N1 000～1 800),摩擦系数降低至0.3～0.35,经18 h磨损试验后,60、75 V偏压沉积的涂层的磨损体积(2.01×10 ^-3mm³)约为未处理试样磨损体积(10.01×10^-3mm³)的1/5。涂层磨损机理主要为"微犁沟"的磨粒磨损。     

Ti-Al-N 涂层的组织结构与摩擦学性能

目的采用多元等离子体注入与沉积(MPIIID)技术制备Ti-Al-N涂层,系统研究涂层的微观组织结构、力学性能与摩擦学特性。方法借助XRD,XPS,SEM和TEM等,观察分析Ti-Al-N涂层的微观组织结构与物相组成,采用纳米压入试验仪、布氏硬度试验仪、摩擦磨损试验仪和激光共聚焦显微镜等测试分析Ti-Al-N涂层的力学性能、膜基结合力和摩擦磨损性能。结果 Ti-Al-N涂层表现出较高的膜-基结合强度。Al元素掺杂诱发Ti-Al-N涂层发生严重晶格畸变。当Al原子数分数为6.18%时,Ti-Al-N涂层以c-TiAlN相结构为主,表现出超高硬度(达到39.83 GPa);随着Al元素含量增加,涂层中的软质h-TiAlN相结构增多,硬度随之下降。摩擦试验结果表明,低Al含量Ti-Al-N涂层的抗磨损能力良好,其主要磨损机制为磨粒磨损;高Al含量Ti-Al-N涂层的抗磨损能力较差,其主要磨损机制倾向粘着磨损。结论 MPIIID技术成功实现了Ti-Al-N涂层的低温制备与成分调控,低Al含量的Ti-Al-N涂层具有优良的力学性能和优异的抗磨损能力。     

20Cr2Ni4A钢表面WC增强铁基涂层耐磨性能的研究

目的 制备优异的耐磨性涂层用于机械零部件表面,可有效地提高其使用寿命,减少机械设备因磨损失效而带来的各类故障.方法 以20Cr2Ni4A合金钢为基体材料,利用激光熔覆技术,制备了铁基涂层和铁基/WC复合涂层.采用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、HV-1000显微维氏硬度计,分别对铁基涂层和铁基/WC复合涂层的相组成、组织形貌、显微硬度进行表征.利用HRS-2M型高速往复摩擦磨损试验机对铁基涂层和铁基/WC复合涂层的磨损性能进行研究,并分析其磨损机理.结果 两种涂层的显微硬度与基体相比改善较大,其中铁基/WC复合涂层改善最为明显,表面平均硬度值为610HV.以直径为6 mm的GCr15对磨球为摩擦副,铁基涂层的平均摩擦因数为0.53左右,磨损量为0.1432 mm3,而铁基/WC复合涂层的平均摩擦因数为0.36左右,磨损量为0.05935 mm3,与铁基涂层相比,20Cr2Ni4A合金钢表面结合铁基/WC复合涂层的硬度提高了17％左右,磨损量减小了58.6％,具有良好的耐磨损性能.结论 铁基/WC复合涂层因其表面存在W2C、WC、Fe3C等物相,能够均匀分布在铁基涂层上作为耐磨骨架,显著提高了涂层的硬度和耐磨性能.     

电弧喷涂铁基非晶涂层摩擦磨损性能分析

采用电弧喷涂技术在低碳钢基体上制备Fe-（Cr,Ni）-（C,B）系非晶合金涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和差热分析仪对涂层的相组成、微观组织和热稳定性进行了分析,用MRH-3型高速环块磨损试验机研究涂层的干摩擦磨损行为.结果表明,涂层中含有一定量的非晶相,呈典型的热喷涂层状组织结构,孔隙率较低;涂层具有良好的热稳定性,在500℃以下使用不会发生晶化转变;涂层具有较高的显微硬度和优异的摩擦磨损性能,平均显微硬度为1 155 HV0.1,相同试验条件下,涂层的相对耐磨性能约为Q235钢的13.3倍,涂层的磨损机制主要以疲劳磨损为主.     

纳米金刚石粒径对Ni-P化学复合镀层耐磨性和耐腐蚀性的影响

为提高化学镀镀层的耐磨性和耐腐蚀性,采用化学镀制备含不同粒径的纳米金刚石Ni-P-D复合镀层,通过SEM、XRD、摩擦磨损试验、磨粒磨损试验和电化学试验,探究纳米金刚石粒径对Ni-P镀层微观形貌、力学性能、摩擦磨损性能、磨粒磨损性能和耐腐蚀性能的影响。经化学复合镀可以得到与基体结合良好,厚度约为30 μm,含纳米金刚石的Ni-P-D复合镀层;含50 nm 金刚石的Ni-P-D复合镀层的硬度最高,抗摩擦磨损和磨粒磨损性能最好;随着纳米金刚石粒径减小,Ni-P-D复合镀层的摩擦系数和抗腐蚀能力提高,含5 nm金刚石的Ni-P-D复合镀层的摩擦系数最小,抗腐蚀能力最强。      

等离子体增强磁控溅射CrSiN涂层摩擦磨损行为

目的基于细晶强化理论,借助新型涂层制备技术获得综合性能优良的CrSiN涂层,研究Si含量对涂层微观结构、力学性能及耐磨性能的影响规律。方法采用等离子体增强磁控溅射技术,制备四种含有不同Si含量的Cr Si N涂层。使用X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM),分析涂层的化学成分、晶体结构、微观形貌和表面粗糙度。使用纳米压痕/划痕仪测试涂层的显微硬度、杨氏模量和结合力。使用摩擦磨损试验仪考察涂层的摩擦磨损行为。结果 Cr Si N涂层中Si含量随着Si靶功率的增加而增加。所有涂层中均未检测到含Si物相,主要由Cr N相组成。随着Si含量的增加,CrN(111)衍射峰逐渐减弱直至消失,涂层由疏松的三角锥结构逐渐变为致密平整的CrN纳米晶和Si3N4非晶共存的复合结构,涂层表面粗糙度显著降低,涂层的显微硬度、杨氏模量、结合力及耐磨性能均呈现先增后降的趋势。结论 Si含量为18.5%的Cr Si N涂层具有最佳的耐磨性能,此时涂层的硬度、杨氏模量、结合力和平均摩擦系数分别约为27 GPa、327 GPa、30 N和0.289。     

球形碳化钨增强钴基堆焊涂层的组织及低温耐磨性

目的提升低温钢的摩擦磨损性能,为极地特殊船板的焊补和延寿技术提供试验依据。方法利用等离子转移弧技术,在低温钢E32表面堆焊制备3组球形不同碳化钨含量的钴基涂层,比较该改性涂层和E32钢在低温条件下(–20℃)的摩擦磨损性能。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、3D光学轮廓仪等研究手段,分析碳化钨含量对堆焊层耐磨损性能和显微组织的影响规律,并揭示其耐磨损机理。结果在载荷为50 N、滑动速度为20 mm/s条件下,经2 h干滑动摩擦磨损后,3组涂层较低温钢E32的摩擦系数和体积磨损率均下降,磨痕的宽度和深度均变小。富含WC、W₂C增强相以及Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Co₆W₆C和Fe₆W₆C等碳化物硬质相的涂层,显著提升了E32钢的硬度和低温耐磨性。涂层的低温耐磨性能随着碳化钨含量的增大而提高,未添加碳化钨的涂层的主要磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损,当碳化钨的质量分数为30%和60%时,主要磨损机理为三体磨粒磨损。结论通过在E32钢表面进行等离子转移弧堆焊,得到了结构致密、高硬度和抗低温耐磨性的球形碳化钨增强钴基表面改性涂层,在一定程度上提升了低温钢的服役寿命。     

超音速火焰喷涂Fe基非晶合金涂层材料的摩擦磨损性能研究

目的通过优化涂层制备工艺,制备致密的Fe基非晶合金涂层,以提高非晶合金涂层的耐磨性。方法采用活性燃烧高速燃气超音速火焰喷涂(AC-HVAF)技术,通过工艺优化,制备了组织致密的Fe基非晶合金涂层。利用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、维氏显微硬度计、摩擦磨损试验机、三维光学轮廓仪等设备,对非晶合金涂层的组织结构、摩擦性能和磨损机制进行了深入分析。结果 Fe基非晶合金涂层呈现典型的非晶结构,涂层厚度在300μm左右,涂层的平均显微硬度值高达1000HV0.1。在干摩擦试验条件下,Fe基非晶合金涂层的磨损量远低于304不锈钢材料,磨损率是304不锈钢基体的1/3~1/2。Fe基非晶合金涂层的磨损机制以疲劳磨损为主,伴随着氧化磨损。氧化磨损主要是由干摩擦过程中产生的摩擦热导致,氧化磨损加速了片层剥落。结论 Fe基非晶合金涂层孔隙率的降低和非晶相含量的提高,有利于稳定摩擦系数和改善涂层的耐磨损性能。     

Wear and corrosion behavior of CrCN/CrN coatings deposited by cathodic arc evaporation on nitrided 42CrMo4 steel substrates

In the paper, the results of wear and corrosion tests of the CrCN/CrN multilayer coatings, formed by cathodic arc evaporation on 42CrMo4 (AISI 4140) steel substrates are presented. The substrates were subjected to thermo-chemical treatment–nitriding with various nitriding potential. The results of nitriding were determined by XRD and the hardness profile in the samples cross-section. The morphology of thin coatings was examined with SEM. A Vickers FV-700 and Fisherscope HM2000 hardness testers enabled to investigate hardness of steel substrates and CrCN/CrN coatings respectively. A pin-on-disc wear tests were used to determine the hardness and tribological parameters of the coatings: the coefficient of the friction and wear rate. The scratch test and Rockwell test were applied to assess the adhesion of the coatings to the substrates. The corrosion properties of coating–steel substrate systems were investigated using potentiodynamic polarisation tests. Corrosion potential, corrosion current density and polarization resistance were determined. It was found that that the nitriding of steel substrates improves properties of the coating–substrate system. The nitriding 42CrMo4 steel substrate with low nitriding potential enable to obtain substrates without surface “white layer” what favours good adhesion of the coating to the substrate. The CrCN/CrN multilayer coating–steel substrate systems show good mechanical and tribological properties and corrosion resistance.     

复合制备Ni基合金涂层的组织结构及性能演变特征

采用超音速等离子喷涂技术在45#钢基体上制备Ni60合金涂层,对预制的涂层分别进行高频感应重熔和感应重熔+强制冷却处理。借助OM、SEM、XRD、显微硬度计和销盘式摩擦磨损试验机对3种涂层的组织结构、显微硬度分布及摩擦磨损性能进行分析,研究Ni60合金涂层组织结构及其性能的演变特征。结果表明:3种涂层组织结构差异较大,单纯感应重熔涂层使喷涂涂层组织结构细密化,感应重熔+强制冷却的涂层形成了外延型生长的定向晶结构。喷涂涂层硬度自内向外呈明显下降趋势,而后续处理的2种涂层均表现为自内向外略为增加趋势,导致喷涂涂层尽管有较高的平均硬度,但表层硬度低于其他2种涂层。3种涂层均有很好的耐磨性能,但后续处理使涂层的摩擦系数明显增大,耐磨性能显著增强,尤其附加强制冷却的涂层表现出更加优异的耐磨性能,其平均磨损率分别低于喷涂涂层约8.5倍和单纯感应重熔涂层约2倍。     

Mechanical and tribological properties of nanocomposite TiSiN coatings

TiSiN coatings with a thickness of 2.5 μm were deposited using a Large Area Filtered Arc Deposition (LAFAD) technique with TiSi targets having different Si content. The influence of the Si content in the coatings on the mechanical properties and tribological behaviors of the TiSiN coatings were systematically studied using nanoindentation and a pin-on-disk tribometer. Nanoindentation results show that the hardness and Young's modulus of the TiSiN coatings increase with increasing Si content in the coatings. Wear test results indicate that the wear rate and friction coefficient of the 440a stainless steel coupons were significantly reduced by deposition of the TiSiN coatings, and the tribological behaviors of the TiSiN coatings are strongly dependent on the Si content in the coatings and the testing ball material. TiSiN coatings exhibit similar friction coefficient when tested against Al₂O₃ and 302 stainless steel balls, but increasing Si content in the coatings causes an increase in the friction coefficient of the TiSiN coatings. With the increase in the Si content in the coatings, the wear rate of the TiSiN coatings decreases when tested against Al₂O₃ balls, but increases significantly when tested against 302 stainless steel balls. The capability of forming a transfer layer on the ball surface contributes to the change in the friction coefficient and wear rate with Si content in the coating and ball materials.     

不同气氛下电火花沉积钛合金涂层的组织性能

分别在氮气、氩气和空气3种气氛下,在45钢上电火花沉积制备TC4钛合金涂层。利用OM、SEM、EDS、XRD、XPS等对钛合金沉积层的微观形貌、组织结构进行分析;利用纳米力学探针仪测试对比沉积层的力学性能;采用CETR摩擦磨损仪测试涂层的耐磨性。结果表明:氮气下电火花沉积生成含TiN及少量TiO和TiO2的陶瓷增强层。氮气中制取的涂层微裂纹较明显,但几无坑蚀和微孔,表面形貌优于氩气和空气下的沉积层。纳米硬度高达15.18GPa,无需增加沉积层厚度,即可获得较高硬度和抗变形能力。其摩擦因数为0.41,磨损量为2.2mg,均远低于45钢,也低于空气和氩气下制备的普通的钛合金涂层,并且改善了钛合金涂层的粘着磨损。     

金属陶瓷nc-Ti(C,N)复合自润滑碳介质涂层的制备及性能EI北大核心CSCD

金属陶瓷涂层与类金刚石涂层的性能不同,在实际应用中两种涂层不能够互换使用,对于涂层的应用来说是一个缺陷。为了克服上述缺陷,将金属陶瓷涂层与类金刚石涂层的优异性能相结合,提出一种金属陶瓷复合自润滑碳涂层,并以三元TiCN涂层为对象,采用SEM、EDAX、XRD、Raman、XPS及维氏硬度计、压痕试验、摩擦磨损试验,研究具有自润滑特性的碳相对含量对涂层微观组织结构、力学及摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着碳含量的增加,涂层表面更为致密光滑,涂层的主要组成相为TiN、TiC、TiC_(0.3)N_(0.7)及TiC_(0.7)N_(0.3);涂层中Ti-N、Ti-C键随着碳含量的增加呈现先增加后减少趋势,当碳含量为31.24 at%时,涂层中便有多余的非晶碳析出,形成金属陶瓷复合自润滑碳涂层nc-Ti(C,N)/a-C,此时涂层不锈钢的硬度最高为HV_(0.05)1052.2,同时涂层表现出较好的结合力、较低的摩擦因数及磨损率;涂层中碳含量为43.85 at%时,摩擦因数较低,在0.1以下波动,磨损率达最小值3.31×10^(−15) m^(3)/(N·m),但压痕周围有微裂纹产生。解释了自润滑碳对于金属陶瓷涂层性能的影响机制,可为高性能涂层的制备提供理论指导及试验依据。     

Ni-P金刚石化学复合镀层制备及摩擦磨损性能分析

目的研究不同粒径微米金刚石对Ni-P金刚石化学复合镀层摩擦磨损性能的影响。方法选择出一组优良的Ni-P化学镀工艺参数,在镀液中分别加入不同粒径的金刚石微粒,制备含不同粒径微米级金刚石颗粒的化学复合镀层。用SEM和XRD,观察并分析了不同粒径金刚石对热处理前后Ni-P金刚石化学复合镀层微观形貌和组织结构的影响;通过硬度和摩擦磨损实验,研究了不同粒径金刚石颗粒对复合镀层硬度及摩擦磨损性能的影响。结果制备的复合镀层厚度为30μm左右,金刚石质量分数达到21%~25%,且金刚石均匀分散在Ni-P镀层中。热处理前镀层为非晶结构,经过400℃×2 h的热处理后,镀层晶化为硬度更高的Ni3P。金刚石能提高镀层硬度,其中粒径为9μm的复合镀层硬度最高,达到1261HV。Ni-P金刚石复合镀层的摩擦系数为0.4~0.52,随着金刚石粒径的增大,摩擦系数不断减小。金刚石使镀层的磨损机制发生了变化,随着金刚石粒径的增大,硬质合金球的磨损加剧。结论随着金刚石粒径的增大,镀层硬度增加,摩擦系数减小,耐磨性增大。     

H13钢的铁基和钴基熔覆层组织与耐磨性

采用激光熔覆技术在AISI H13 热作模具钢表面分别制备了铁基熔覆层、钴基熔覆层. 借助金相显微镜、扫描电镜、洛氏硬度计和高温摩擦磨损试验机,对比分析了两种熔覆层的组织形貌、硬度和耐磨性. 采用马弗炉进行加热600 ℃,保温1 h,反复4 次,并测得红硬性硬度. 结果表明,基材、铁基、钴基熔覆层硬度分别为HRC 47,HRC 52,HRC 48. 基材和铁基熔覆层的红硬性硬度有所下降,而钴基熔覆层的红硬性硬度提升. 钴基熔覆层磨损失重量和摩擦系数皆最小. 基材、铁基熔覆层、钴基熔覆层的磨损机理分别是以磨粒磨损、粘着磨损以及粘着磨损和磨粒磨损为主.     

The corrosion and wear behavior of TiN and TiAlN coated AISI 316 L stainless steel

In this study, TiN and TiAlN coatings were deposited on AISI 316 L stainless steel substrates by PVD techniques. The composition and crystalline structure of the as-deposited coatings were analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDX) and X-ray diffraction (XRD) methods, respectively. The corrosion resistance studies of TiN-coated and TiAlN-coated samples were carried out in 0.9 wt % NaCl and SBF solutions using the electrochemical potentiodynamic polarization method and the wear behavior was evaluated with the ball-on-disk wear method at a sliding speed rate of 0.3 m/s under 2.5 N load in a dry medium. It was found that both TiN and TiAlN coatings exhibited relatively good corrosion resistance, however, TiAlN coatings showed a better corrosion resistance than TiN coatings. The TiAlN coating contributes positively against corrosion and wear behavior by increasing the surface hardness and by decreasing the friction coefficient of AISI 316 L stainless steel, respectively.     

激光熔覆ZrB2-SiC增强Cu基复合涂层的微观结构与摩擦学性能

为了提高铜表面的强度和耐磨性,以复合粉末(Zr、Si、Ni包B4C、Cu)为原料,采用激光辅助原位合成技术,在纯铜基体表面制备了ZrB₂-SiC/Cu复合涂层。通过XRD、SEM和TEM分析了复合涂层的表面形貌、微观结构、相组成和界面结合,并测试了不同增强相含量熔覆层的硬度和摩擦学性能。结果表明：通过设计的原位化学反应成功在铜基体内合成了微米级针状ZrB₂和纳米级颗粒状SiC。增强相均与基体形成了清洁、无杂相的界面。2种不同维度与尺寸的增强体,通过多种强化机制,显著改善了复合涂层的力学性能;通过调整激光工艺参数可实现增强体尺寸的控制,随着增强相含量的提高,复合涂层的平均硬度和耐磨损性逐渐增加。当增强相含量为30%(质量分数,下同)时,复合涂层的平均硬度(HV0.2)为3028 MPa,约为纯铜的5.6倍。30%增强相涂层的载流磨损率与10%增强相的涂层相比,降低了约80%。较高含量增强相的复合涂层表现出优异的摩擦学性能。