（机械工程专业论文）物理气相沉积crn和alcrn涂层转动微动摩擦磨损性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 物理气相沉积( 简称p v d ) 技术制备的c r n 涂层以及c r n 加入a 1 后形成的三元 c r - a i o n 系涂层具有优良的综合性能，已被成功用于刀具、模具、轴承和活塞环等耐磨 零件表面，其中高a l 含量的a 1 c r n 涂层由于其优越的抗高温氧化和磨粒磨损性能更是 成为新一代三元p v d 氮化物涂层最典型的代表。转动微动磨损是在交变载荷下接触副 发生转动的相对运动所造成的磨损。转动微动现象广泛的存在于工业设备、民用机械 及医疗器械中，其造成的事故比比皆是，每年由于转动微动磨损带来的损失不可估量。 涂层材料对微动磨损与疲劳有很好的防护作用，而c r n 和a 1 c r n 涂层作为耐磨涂层用 于解决转动微动模式下磨损问题有着很大的前景，如应用在高档主轴承和球阀等零部 件中表现出了优异的耐磨性，然而迄今为止关于这两种涂层的转动微动摩擦磨损特性 的研究鲜见报道。 本文利用新型转动微动磨损试验装置，采用球平面接触，对磨副为s i 3 n 4 陶瓷球， 研究了物理气相沉积制备的c r n 和a 1 c r n 涂层在不同法向载荷( f n = 1 0n 、2 0 n 、4 0n ) 和不同转动角位移幅值( 0 = - 0 1 2 5 0 、o 2 5 0 、0 5 0 、l o 、2 0 ) 条件下的转动微动摩擦磨损 行为。在分析摩擦动力学行为的基础上，用扫描电子显微镜( s e m ) 、表面轮廓仪、电 子能谱仪( e d x ) 分别对涂层的磨损形貌、磨痕轮廓、磨损表面和磨屑的成分进行微 观分析，对两种涂层转动微动损伤特征进行了讨论，得到以下结论： 1 转动微动参数对c r n 和a i c r n 涂层的界面摩擦状态具有重要影响，两种涂层的 转动微动运行区域依赖于法向载荷和转角位移幅值，随着法向载荷的降低或转角位移 幅值的增加，涂层转动微动从部分滑移向完全滑移转变，相同工况下a 1 c r n 涂层较c r n 涂层更容易趋于部分滑移状态。 2 c r n 和a 1 c r n 涂层的摩擦系数演变趋势极大地取决于所对应的微动状态，涂层 在完全滑移状态下的摩擦系数较部分滑移的高，两种涂层摩擦系数值随法向载荷的增 大而降低，随转动角位移幅值增大而增大，摩擦系数爬升阶段对应的循环次数随着法 向载荷的增大而明显增加，但随转动角位移幅值增大而减少。在高载荷( f n = 4 0n ) 时， 不同转角位移幅值下c r n 涂层的摩擦系数稳定值都明显较a i c r n 涂层的低。a 1 c r n 涂 层摩擦系数随着转角位移幅值的增大而明显增大，且曲线走势存在明显差异，而转角 位移幅值的变化对c r n 涂层的摩擦系数值影响不大。 3 两种涂层在摩擦界面为部分滑移状态时，摩擦界面损伤较为轻微，产生的磨屑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 很少，而在完全滑移状态时，转动磨损损伤是二体作用和三体作用共同作用的结果， 角位移幅值的增大涂层进入完全滑移状态后的损伤明显加重，产生较多的磨屑并分布 在磨痕两端。高法向载荷( f n = 4 0 n ) 下，转角位移幅值对两种涂层的转动微动损伤行 为有重要影响，转动角位移幅值由1 0 增大为2 0 后，两种涂层在磨痕中心处的磨损特征 以及排屑行为都存在明显的差异，主要为c r n 涂层磨痕内有较明显的磨屑碾压堆积， 而a i c r n 涂层具有较好的排屑行为，磨痕中心处有明显的塑性累积隆起的痕迹。完全 滑移状态下两种涂层的损伤随转角位移幅值的增大而明显加重，但磨损机理都主要为 磨粒磨损和轻微的氧化磨损。 关键词：p v d ；c r n 涂层；a l c r n 涂层；转动微动；摩擦磨损 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t c r na n dt e r n a r yc r - a i - nc o a t i n g s d e p o s i t e db yp h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p v d ) t e c h n i q u eh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yu s e dt ot h es u r f a c e so ft o o l s ，d i e s ，b e a r i n g s ，p i s t o nr i n g s a n do t h e rw e a r - r e s i s t a n tp a r t sf o rt h e i re x c e l l e n ti n t e g r a t e dp r o p e r t i e s p a r t i c u l a r l y , t h e a 1 c r nc o a t i n gw i t hh i g hc o n t e n to fa 1h a de x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nh i g ht e m p e r a t u r e o x i d a t i o nr e s i s t a n c ea n dg o o da b r a s i v ew e a rr e s i s t a n c e ，a n dt h u sh a db e c o m et h em o s t p r o m i s i n gp v dt e r n a r yn i t r i d ec o a t i n gf o rw e a ra n dc o r r o s i o np r o t e c t i o n r o t a t i o n a lf r e t t i n g w e a ri sc a u s e db e t w e e nt h ec o n t a c tp a i r su n d e ra l t e r n a t i n gl o a dw i mr e l a t i v er o t a t em o t i o n i t w i d e l ye x i s t si ni n d u s t r i a le q u i p m e n t s ，c i v i lm e c h a n i c a la n dm e d i c a ld e v i c e s ，w h i c hu s u a l l y c a u s ea c c i d e n t sa n dt h u si n c a l c u l a b l el o s s t h ec o a t i n gm a t e r i a l sc a nb eu s e df o rf r e t t i n g w e a ra n df a t i g u ep r o t e c t i o n ，c r na n da 1 c r nc o a t i n g sh a v es h o w ng r e a t p o t e n t i a li n r o t a t i o n a lf r e t t i n gw e a rp r o t e c t i o n ，w h i c hh a d h i g h l yi n c r e a s e dt h eg r e a ta n t i w e a rr e s i s t a n c e o fh i g h - e n dm a i nb e a r i n g sa n db a l lv a l v e s h o w e v e r , s of a rt h e r ea r ef e wr e p o r t so nt h e r o t a t i o n a lf r e t t i n gw e a rp r o p e r t i e so ft h e s et w o c o a t i n g s i nt h i sp a p e r , t h er o t a t i o n a lf r e t t i n gb e h a v i o r so fc r na n da 1 c r n c o a t i n g sw e r es t u d i e d u n d e rd i f f e r e n tn o r m a ll o a d s ( r 210n ，2 0n ，4 0n ) a n dr o t a t i n ga n g u l a rd i s p l a c e m e n t a m p l i t u d e s ( o = - 0 2 5o ，0 5 o1 o ，2 。) b yu s i n gan e wd e v e l o p e dr o t a t i o n a lf r e t t i n gw e a rt e s t e r 谢t l lac o n t a c tc o n f i g u r a t i o no fb a l l - o n - f l a t t h es i 3 n 4b a l lw a su s e da sc o u n t e r p a r tm a t e r i a l s t h ew e a l s c a r sw e r ee v a l u a t e du s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，s u r f a c ep r o f i l e r , e n e r g yd i s p e r s i v ex r a ys p e c t r o s c o p y ( e d x ) ，a n dt h er o t a t i o n a lf r e t t i n gw e a rm e c h a n i s m s o f t h et w oc o a t i n g sw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 r o t a t i o n a lf r e t t i n gp a r a m e t e r sh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo ni n t e r f a c ef r i c t i o ns t a t eo f b o t ht h ec r na n da 1 c r nc o a t i n g s t h e i rr o t a t i o n a lf r e t t i n gr e g i o no ft h ec o a t i n g sg r e a t l y d e p e n d so nn o r m a ll o a da n dr o t a t i n ga n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e w h e nn o r m a ll o a d d e c r e a s e sa n da n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ei n c r e a s e s ，r o t a t i o n a lf r e t t i n gr u n n i n gs t a t eo f t h ec o a t i n g st r a n s f e r sf r o mt h ep a r t i a ls l i pt ot h eg r o s ss l i p i nt h es a m ec o n d i t i o n ，a i c r n c o a t i n gw a sm o r ep r o n et or u no nt h ep a r t i a ls l i pa sc o m p a r e d 、 ，i t l lc r nc o a t i n g 2 t h ev a r i a t i o no ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so ft h ec r na n da 1 c r n c o a t i n g sa r eg r e a t l y d e p e n do nt h es l i ps t a t u s t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so ft h et w oc o a t i n g su n d e rt h ec o n d i t i o no f g r o s ss l i pa r eh i g h e rt h a nt h o s eu n d e rt h ep a r t i a ls l i p t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so ft h ec o a t i n g s i n c r e a s ew i t l lt h ed e c r e a s eo ft h en o r m a ll o a do rt h ei n c r e a s eo fd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e t h e n u m b e ro fc y c l e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ea s c e n ts t a t es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n g n o r m a ll o a d ，b u td e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n ga n g u l a rd i s p l a c e m e n t u n d e rt h eh i g hn o r m a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 l o a do f4 0n ，t h es t e a d yf r i c t i o nc o e f f i c i e n tv a l u e so fc r nc o a t i n ga r eo b v i o u s l yl o w e rt h a n t h o s eo fa i c r nc o a t i n ga td i f f e r e n t a n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d e s a st h ea n g u l a r d i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ei n c r e a s e s ，h i g h e rv a l u ew i t hq u i t ed i f f e r e n tc a r v et r e n d sh a sb e e n o b s e r v e df o r t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t so fa i c r nc o a t i n g ，w h i l en ov i s i b l e c h a n g ef o rt h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n t so fc r n c o a t i n g 3 w h e nf r i c t i o nc o n t a c ti n t e r f a c eo ft h et w oc o a t i n gi sn m n i n gi nt h er e g i m eo f p a r t i a l s l i p t h ec o a t i n g se x h i b i ts l i g h tw e a l 、们t hl i r l ea m o u n to fw e a rd e b r i s w h e nr u n n i n gi nt h e g r o s ss l i p t h ew e a ro ft h ec o a t i n gi st w o - b o d yw e f t c o m b i n i n gw i t l lt h r e e - b o d yw e a r t r a n s f e r r i n gt ot h eg r o s ss l i pb yi n c r e a s i n gt h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ew i l ll e a dt o h e a v i e rw e a r 、析mm o r ed e b r i sa c c u m u l a t i o na tt h ee d g e so ft h ew e a rs c a r u n d e rt h eh i g h n o r m a ll o a do f4 0n ，t h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d eh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e w e a rp r o p e r t i e so ft h et w oc o a t i n g s w i t ht h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ei n c r e a s i n g f r o m1 o t o2o rt h et w oc o a t i n g se x h i b i td i f f e r e n c ei nw e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dw e a rd e b r i s r e m o v a lb e h a v i o ra tt h ec e n t e ro ft h ew e a rs c a r ：c o m p a c t i o na n da c c u m u l a t i o no fw e a rd e b r i s i so b s e r v e di n s i d et h ew e a rs c a ro fc r nc o a t i n g ，w h i l ear e l a t i v eh i g h e re f f i c i e n to fw e a r d e b r i sr e m o v a lb e s i d e sap l a s t i cd e f o r m a t i o na c c u m u l a t i o ni nm i d d l eo ft h ew e a l s c a ri s f o u n df o rt h ea 1 c r nc o a t i n g t h ei n c r e a s eo fa n g u l a rd i s p l a c e m e n ta m p l i t u d ei nt h eg r o s s s l i ps i g n i f i c a n t l ya g g r a v a t et h ew e a ro ft h et w oc o a t i n g s ，t h o u g ht h ew e a rm e c h a n i s m so ft h e c o a t i n g sa r em a i n l ya b r a s i v ew e a ra n dm i l do x i d a t i v ew e a r k e yw o r d s ：p v d ：c r nc o a t i n g ；a 1 c r nc o a t i n g ：r o t a t i o n a lf r e t t i n g ；f r i c t i o na n dw e a r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1c r n 涂层 第1 章绪论 物理气相沉积( p v d ) 技术制备的c r n 涂层在硬度、韧性、耐磨、耐腐蚀及抗高 温氧化等显示出优良的综合性能，在上世纪九十年代就己得到广泛基础研究，并且在 模具、餐具、切削刀具及防腐蚀材料等领域已经取得了较好的应用效果f 1 , 2 】。 1 1 1c r n 涂层的制备 目前，物理气相沉积方法制备c r n 涂层的工艺手段有很多种，典型的如磁控溅射、 阴极弧源、电弧与磁控相结合( a b s ) 、离子束辅助沉积等f 孓1 2 】，但不同p v d 技术制备 的c r n 涂层，其组织结构及性能指标都存在着较大差异，研究的侧重点也不尽相同。 磁控溅射方法：韩增虎等1 3 】采用反应磁控溅射法在不同n 2 分压条件下制备出不同 氮含量的c 帆薄膜，其中c r 2 n 薄膜表现最为全面，不仅具有优良力学性能( 硬度2 7 1 g p a 和弹性模量3 4 8g p a ) ，且有较高的沉积速率。离子源辅助磁控溅射制备的c r n 涂 层在不同的气体流量、溅射功率、偏压工艺条件下其结构及性能会发生改变，陈涛等【4 1 研究发现该涂层在较低偏压下得到的薄膜以c r n ( 2 0 0 ) 为主，呈现纤维状结构，高偏压 下得到的薄膜以c r n ( 2 0 0 ) 和( 1 0 0 ) ，呈现柱状结构，而沉积速率和显微硬度均表现出色。 b a r a t a 等【l o 】采用反应磁控溅射制备c r x n 涂层，研究基体偏压和气体分压等工艺参数的 对涂层影响，结果表明：基体没有经过偏压处理的样品，其涂层表面表现出较高的氧 化趋势；随着氮气分压的增加，涂层硬度变大，c r x n 涂层的结构从六方晶系的c r 2 n 结构变为立方晶系的c r n 结构。还有研究表明，磁控溅射技术制各的c r n 涂层，其硬 度和耐磨性皆在一定范围内随偏压值的增大而有所提高，并且至少保证偏压在5 0 v 以 上才能获得致密良好的c r n x 硬质涂层【l i 】。 阴极弧源方法：近年来采用阴极弧源法制备c r n 涂层较为引人注目，从工业应用 考虑，阴极弧源技术具有高效、低成本等优势，但在沉积过程中由于c r 靶蒸发粒子的 “大颗粒尺寸比熔点相近的其它金属靶小，涂层表面会存在金属c r 的“大颗粒”， 而磁过滤阴极弧源技术利用等离子体电磁场过滤，不仅可以有效减少或消除“大颗粒”， 还可以进行单层厚度小于1 0 0n l n 的多层膜沉积【2 ，5 1 。p e r s s o n 等【1 2 l 采用多弧离子镀制备 c r n 涂层，分析沉积温度和时间对c r n 涂层的影响，结果表明：增加沉积的温度和涂 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 层的厚度都能提高涂层的耐腐蚀性。阴极弧源制备的c r n 涂层，在不同氮分压、偏压 和前处理下其相结构和表面形貌会发生很大的变化。在低氮分压时，涂层主要由c r 和 c r 2 n 组成，涂层表面粗糙，有尺寸较大的颗粒。随着氮分压增加，c r 和c r 2 n 的衍射 峰逐渐消失，而c r n 的衍射峰增强直至形成单相涂层，涂层表面颗粒的密度和尺寸都 减小，而继续增大n 2 分压，涂层表面的大颗粒又出现增加。不同偏压下进行分析发现： 无偏压时，涂层表面粗糙，呈( 2 2 0 ) 晶面择优取向，继续增加脉冲偏压，涂层的表面粗 糙度降低，大颗粒数量和尺寸显著减少，择优取向的晶面转变为( 2 0 0 ) ，而进一步增加 偏压，涂层表面又有较大熔滴产生。在制备涂层前进行抛光和喷砂处理均能减少涂层 表面大颗粒的形成，分别有利于( 2 2 0 ) 晶面和( 2 0 0 ) 晶面的生成【6 1 。最近又有报道利 用热阴极离子镀技术制备c r n x 薄膜，由于该技术高浓度电子束的轰击清洗和电子碰撞 离化效应很好，因此镀层质量高，用于工具涂层有明显优势【9 】。 1 1 20 r n 涂层的摩擦学应用及研究 物理气相沉积技术制备的c r n 涂层在工业摩擦学应用广泛，如应用于刀具、齿轮、 活塞环、冲压工具的耐磨保护，并取得了很好的效果。如涂层公司b a l z e r s 公司推出的 c r n 涂层铣刀，用在加工镍合金、黄铜和铝合金时具有很高的加工表面质量【1 3 】。日本 日新公司采用了独自研发的电弧蒸发源和精细涂层技术，在刀具表面沉积了平滑性很 好的精细c r n 涂层，极大提高刀具表面硬度，延长刀具寿命【1 4 1 。此外，日本在活塞环 表面采用离子镀法沉积c r 2 n 和c r n 复合涂层，在沉积过程中不断变化氮气分压，涂层 中氮浓度由基体向涂层表面不断增大，使得涂层硬度和膜基结合力远高于电镀c r ，涂 层活塞运行中无拉缸、抱缸现象，十分平稳，使用寿命延长4 1 0 倍1 2 1 。 近年来国内外对c r n 涂层的摩擦学性能进行了广泛的研究，主要集中在滑动摩擦 方式上，采用了不同的对磨材料和接触方式( 如圆柱平面的线接触【5 】、球平面的点接 触【1 5 1 等) 。谢红梅等【1 6 】用球盘式摩擦磨损试验机对比研究c r n 与t i n 涂层在不同环境 下的摩擦磨损性能，结果表明在相同的外界条件下c r n 的耐磨性能始终优于t i n 涂层。 r o d r i g u e z 等1 1 7 j 采用1 0 0 c r 6 轴承钢和w c 陶瓷球配副，在2 0 - - 7 0 相对湿度下，通过球 - 盘式摩擦磨损试验比较了c r n 涂层在不同相对湿度下的摩擦学性能，结果表明随着相 对湿度增加，涂层摩擦系数降低，呈现出较好的抗粘结磨损性能。b j 6 r k 等1 1 8 】对应用于 挤压模具的c r n 与t i n 涂层对比研究，在模拟的块环结构设备基础上进行磨损试验测 试，结果表明：t i n 涂层的机械强度在测试过程中逐渐退化，相比t i n 涂层，c r n 涂 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 层能有效减小挤压模具的磨损。v e c c h i a 等【1 9 j 利用氮化和p v d 工艺在低合金钢表面制 备了厚度为5 岬的c r n 涂层，并对其进行粘着、磨损、冲击和硬度等测试研究，通 过与传统的回火和淬火处理对比，得出复合处理后的涂层样品有更好的摩擦学性能和 更高的冲击载荷。为提高a i s ih 1 3 钢的硬度和耐磨性能，采用多弧离子镀方法对h 1 3 钢表面沉积c r n c r 双层涂层，在s r v 往复式摩擦磨损试验机上进行摩擦学实验，通 过表面形貌仪和显微硬度分析说明，c r n 涂层显著提高了h 1 3 钢的摩擦学性能和显微 硬度，磨痕深度从1 3 9 i n 下降到3 j a m ，显微硬度更是高达h v = 1 6 8 4 2 0 1 。g a h l i n 等【2 1 】分 别用低温( 2 0 0 ) 和常温( 4 0 0 ) ，沉积c r n 涂层，发现不同温度下沉积的c r n 涂 层结构和化学成分都有所不同，但它们的摩擦学性能却十分相似，这说明变化c r n 涂 层的结构和化学成分对其摩擦学性能影响不明显。 1 2aic r n 涂层 物理气相沉积技术制备的c r n 涂层虽然具有很多优良的特征，并已经广泛应用于 各个领域，但其较低的硬度及抗磨粒磨损能力使得涂层在使用过程中容易过早失效而 无法满足很多新产生的工业应用要求，为进一步提高c r n 涂层性能，可采用多元技术 添加a i 、c u 、n b 、t i 、t a 、w 等，其中最具代表性的当属添加a l 元素而形成的三元 c r - a 1 - n 涂层【2 1 。 1 2 1c r - al _ n 三元涂层的制备 c r - a 1 - n 三元涂层可以通过阴极弧源瞄之6 】和磁控溅射【2 7 - 3 4 等不同的p v d 技术制 备。 磁控溅射方法：早在上世纪九十年代，h o f i n a n n 等【3 3 】人就采用磁控溅射制备了 c r - a 1 - n 三元涂层，并比较了c r - a 1 - n 三元涂层与c r n 涂层的抗氧化性能，结果表明 c r - a 1 - n 三元涂层的抗氧化能力大约为c r n 涂层的5 倍。c r n 涂层的氧化过程中由于 c r 的扩散而在涂层表层生成了一层氧化铬，在氧化层下，留下了一个无铬和富氮的中 间层。而c r - a 1 - n 三元涂层在氧化过程中随着深度的增加，氧化层的成分发生了很大 的改变，氧化层富铬层紧跟着一个富铝氧化层。研究还发现c r l 4 w 涂层的硬度远大 c r n 涂层的硬度，且其硬度值随着氮气分压的增加而降低，这是因为a l 元素的添加使 得涂层具有更为复杂的结构，即结构杂化提高了涂层的硬度，随着a 1 含量的增加，涂 层的硬度先增大后减小，在a l 含量约为5 0 时涂层具有最大的硬度【3 4 删。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 w u h r e r 等【3 0 】采用磁控溅射技术，变化氮气分压，沉积了不同组成成分的c r l 4 l 烈 涂层。结果表明：涂层所含成分的特性对溅射过程具有极大的影响，将会导致涂层结 构及性能的发生很大变化。氮气分压的提高使得涂层的硬度下降，沉积速率降低。并 在相同氮气分压条件下，与t i a i - n 系涂层对比，c r - a i - n 系涂层具有较高的沉积速率 及硬度。 中国科学院金属研究院发明了一种在宽温度范围内抗高温腐蚀的c r n a i c r n 涂层 防护涂层，其制备方法是采用c r 靶、a l 靶直流反应共溅的方式，通过调节c r 靶和a l 靶的功率比来控制涂层中的a 1 含量，为提高涂层和基体间结合力，在基体上施加 0 1 5 0 v 的基体负偏压。所获得的涂层内层为c r n 层，外层为c r 含量呈梯度分布的 a i c r n 层。涂层在8 0 0 9 0 0 空气中氧化后主要形成固溶有a l 的c r 2 0 3 膜，在1 0 0 0 以上氧化时形成富a l 氧化膜。热腐蚀实验表明c r n a i c r n 涂层具有很好的抗热腐蚀性 能。应用该发明可提高高温合金在较宽的温度范围内抗氧化和热腐蚀性能【3 5 】。 研究表明c r - a 1 - n 三元涂层中a l 元素含量越高涂层性能越好【3 6 】。但是a i n 在c r n 中具有最大固溶度，a l 元素含量并不是可以无限提高。s u g i s h i m a 等【3 l 】通过研究得出 c r n 在a 1 n 中的临界含量为7 7 2 ，表1 1 为他们计算的a 1 n 在不同氮化物中的临界 含量，a 1 c r n 涂层中a 1 n 的含量在7 5 时涂层的相结构将由b 1 ( 即n a c l 结构) 转变 为b 4 ( 六方) 结构。图1 1 示出a l c r n 涂层的晶格常数随着a l 含量增加而发生的变 化：当涂层相结构呈n a c i 结构时，涂层的晶格常数随着a 1 的增加而减小，而当涂层 的相结构为纤维锌矿时，涂层的晶格常数随着a l 含量的增加呈现出各项异性，既在不 同方向分别扩张和伸缩，其原因如图1 2 所示，由于c r 原子体积比a l 原子大，当c r 置换a 1 之后，将会在a 方向扩张而在c 方向收缩。 表1 - 1 具有b l 结构的不同过渡元素氮化物中的a 1 n 的临界含量 过渡氮化物t i n v nc r nz r nn b nh t nw n 溶解度( ) 6 5 37 2 47 7 2 3 3 45 2 92 1 25 3 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 气 a a x i s - c - t i l x a l x n 、t 1 - 一1 凸r c r l 】a k ni 人、 w u r t z i：e 一对p e 、 1 7 弋呤 随 罗哽。 、勺、 一一一 n a c l - t y p c c a x 塔 0o 2 o 4 0 60 8i a lc o n t e n t ：x 图1 - 1t i l 。a 1 。n 和c r l 。a 1 ，n 涂层的晶格常数随a 1 含量的变化图 i 瑚i ：b 蹿 a t - k 衄 l k x = t ) 卜ii t - u s d x n - 图1 - 2h t i l - x a l 。n 和i a - c r l 。a 1 ，n 的各向异性示例图 阴极弧源方法：国内卢国英等3 刀采用脉冲偏压电弧离子镀技术沉积了c r - a 1 一n 系 涂层。各种金属靶材的物理性能及相应氮化物的特性分别列于表1 2 和表1 3 中。通过 改变脉冲偏压以及调节弧流实施镀膜，研究脉冲偏压和弧流对于c r - a 1 - n 系涂层结构、 性能的影响，并评价了c r - a 1 n 系涂层的高温抗氧化性能。结果表明：随着脉冲偏压 的增加，涂层硬度先增大后减小，在3 0 0 v 时硬度值达到最大2 5 g p a ，膜基结合力高达 7 0 n ，具有最好的摩擦性能。弧流调控技术能调节c r 、a 1 元素百分比，触含量在5 4 到6 8 范围时，随着a l 含量的降低，a 1 c r n 涂层的硬度明显增大，摩擦性能也变好。 4 3 2 ， o 以 之 o 摹一缸奄爱墨暑uu毫船i ni。酶量眉。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表1 - 2 金属靶材物理性能 熔点沸点密度 原子半径晶体结构 ( )( ) ( g e r a 2 ) ( n m ) ( 室温下) k n o t e k 等【3 q 采用阴极真空弧技术，研究不同沉积的工艺对c r - a 1 - n 系涂层的影响， 结果表明，c r - a 1 - n 系涂层的粗糙度明显受到氮气分压的影响。在温度达到9 0 0 时， 涂层结构仍保持稳定。k a w a t e 等f 3 9 】和b a n k h 等【4 0 】分别对多弧离子镀和反应性磁控溅射 制备的c r l a l 抖涂层进行抗氧化性研究，结果发现只有在a l 含量( x 0 2 ) 时，涂层 的抗氧化性才优于c r n 涂层。 1 2 2a i c r n 涂层的摩擦学应用及研究 物理气相沉积技术制备的高a l 含量的a 1 c r n 涂层具有优越的抗高温氧化和磨粒磨 损性能，主要开发用于解决刀模具、耐磨零件以及轴承等领域的摩擦学问题，并成为 新一代三元p v d 氮化物涂层最典型的代表 4 1 4 3 】。通过增加c r - a i - n 三元涂层中的a l 含量，从而增强涂层的耐高温和抗磨损性能，一直是研究人员关注的重大技术课题， 如b a l z e r s 涂层公司研发制备的高a l 含量的a i c r n 涂层，其a 1 含量比一般的a i t i n 涂 层更高，在某些应用下具有更优越的性能，特别是专为孔加工刀具设计的多层a i c r n 涂层，应用于硬质合金或高速钢钻头上显著增强了钻头的耐磨性和剪切强度以及排屑 性能。 a 1 c r n 涂层作为新一代三元p v d 涂层的代表，关于其优越的抗高温氧化及切削性 能的报道很多，但专注摩擦磨损特性方面的研究却较少，尤其是国内几乎未见报道 晔郴】。v e t t e r 等1 4 4 采用阴极真空弧技术在高速钢基体上沉积了a i c r n 涂层，并将c r n 涂层作为对比材料，进行了球盘式摩擦磨损实验，结果表明a 1 c r n 与c r n 涂层的摩擦 系数比较接近，对磨球的磨损量也非常接近，而在硬度和抗氧化性方面，a 1 c r n 涂层 要明显优于c r n 涂层。本课题组也对a i c r n 涂层进行球盘式摩擦磨损实验，以c r n 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 涂层作为对比，深讨了a 1 c r n 涂层滑动摩擦学行为。结果表明：a i c r n 涂层的摩擦因 数平稳，拥有较高硬度和良好的排屑能力，因此在高载荷下具有比c r n 涂层更好的抗 磨损性能【4 5 】。b o b z i n 掣4 6 1 采用a 1 2 0 3 和s i 3 n 4 为对磨材料，在球盘实验模式下对c r n 、 a i n 、a 1 c r n 涂层的摩擦学性能进行对比分析。通过对磨痕和磨屑分析发现：a i n 涂层 损伤主要以黏着磨损为主，c r n 涂层损伤则由氧化磨损和黏着磨损相结合，而a i c r n 涂层虽然显示了相似的磨损现象，但磨损率在所有样品中是最低的，并且对磨材料的 损伤也最低，这是由于a i c r n 涂层具有较高的硬度，以及小尺寸晶粒和表面高抗氧化 性。r e i t e r l 2 4 1 等采用a 1 2 0 3 和奥氏体不锈钢球作为对磨材料，在球盘实验模式下对不同 a 1 含量的磁控溅射a l x c r l x n ( x = 0 1 9 ；0 4 0 ；0 6 2 ) 涂层的摩擦学性能进行研究。结果表 明，对磨副为a 1 2 0 3 时，高铝含量的a 1 0 6 2 c r 0 3 8 n 在耐磨性和抗氧化性方面表现最好。 而对于奥氏体不锈钢球来说，a l 含量的高低对a i 膏c r l 州涂层的粘着磨损行为没有明显 的影响，这是由于对磨球材料对涂层表面的磨损机理起主导作用。b i r o l 等【4 7 】在热作模 具钢上沉积a 1 c r n 涂层，并研究其在高温条件下的磨料磨损性能，结果发现涂层材料 的损失很少，其原因为高温过程中在摩擦界面生成带粘性和高塑性的c r 2 0 3 薄膜，使得 涂层和基体没有剥落磨损，还抑制了氧化和磨损之间的协同作用。a 1 c r n 涂层兼具有 良好的耐磨和抗高温氧化性能。n o u v e a u 等【4 8 】分别对常规处理、喷砂处理和喷砂处理 后沉积a i c r n 涂层处理的剥皮工具刀刃进行耐磨性研究，发现经过喷砂处理的样品比 常规处理的耐磨性好，而经过复合处理( 喷砂+ p v da 1 c r n ) 的样品耐磨性比只经过喷 砂处理后的好。此外，复合处理后的刀具还能很好地解决喷砂处理刀具抗粘着性差的 问题，极大地提高刀具的使用寿命。 1 3 微动摩擦学的基本概念及运动模式 不同于于传统的滑动和滚动，微动( f r e t t i n g ) 指的是二个接触表面发生极小幅度的 相对运动，它通常存在于振动工况( 如发动机运转、气流波动、热循环应力、疲劳载荷、 电磁震动、传动等) 下的“近似紧固的机械配合件之中，一般其位移幅度为微米量 级。相应地，微动摩擦学是研究微动运行机理、损伤、测试、监控、预防的学科 4 9 5 0 】。 微动造成的材料损伤通常表现为两种形式，即：( 1 ) 微动导致的磨损：微动可以造成 接触面间的表面磨损，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损 失、噪声增加或形成污染源。( 2 ) 微动导致的疲劳：微动可以加速裂纹的萌生与扩展， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 使构件的疲劳寿命大大降低，微动疲劳极限甚至可低于普通疲劳极限的1 3 。这种损伤 形式往往危险性更大，可能会造成一些灾难性的事故。 在实际的工业应用中，微动现象十分复杂，根据简单化的球平面接触模型，按接 触体间不同的相对运动方式，可将微动分为四类基本运行模式( 图1 3 ) f 4 9 】，即：a ) 切向微动，这是最常见并得到最广泛研究的微动模式；b ) 径向微动；c ) 转动微动；d ) 扭动微动。后面三类微动模式虽然在工业中也经常出现，但相关研究报道却相当少， 另外，综合两种或两种以上的基本微动模式的叠加，即复合微动，因其问题复杂大大 增加，研究更是少见。 臼 切向徽动 & ) 径向截动 b ) 亘b o 转动徽葫扭动撤动 c )田 ，一法向蓑荷d 一位移幅位p 一是度振幅 图1 3 四种基本微动运行模式 1 4 转动微动 1 4 1 转动微动的定义及特点 转动微动是在交变载荷作用下紧配合接触副间发生微幅转动的相对运动【4 9 1 。转动 微动现象大量存在于各种机械装备和器械中，其大大的缩短了零部件的寿命、直接影 响了安全生产，同时也带来巨大的经济损失。 1 4 2 转动微动损伤失效的工业实例 转动微动广泛的存在于交通设备、民用机械及医疗器械中，其造成的事故比比皆 是，每年由于转动微动损伤失效带来的损失不可估量。 在航空工业领域，任何微小的机械配合件都会导致重大的安全事故，直升机轭杆 机构和飞机涡轮机内塔式轴均存在着转动磨损，例如在2 0 0 5 年澳大利亚交通部的交 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 通安全研究报告中就报道了3 次由于转动微动磨损疲劳失效导致的航空安全事件： r o b i n s o n 公司的r 2 2 型直升机在飞行时离合轴和旋翼传动装置之间的轭杆配合面以及 调节压块的装配螺栓配合面出现了转动磨损和疲劳断裂( 见图1 4 ) ，导致飞机出现剧 烈振动并紧急迫降；另两件为巴西利亚e m b 1 2 0 e r 型飞机和德哈维兰d a s h8 型飞机 在飞行时涡轮机内的塔式轴发生了转动微动磨损和疲劳断裂( 见图1 5 ) ，导致左引擎 失效，险些酿成重大事故。 1 2 矗 恻争甍謇嚣磬醯羹翼熏 一 。茹。鬣0 。；毒鞠蘑。蠢：酱一 。参。氯蒸蘧黟 a ) 轭杆配合面转动磨损和疲劳断裂b ) 紧固螺栓配合面转动磨损和疲劳断裂 图1 - 4 直升机轭杆机构的转动磨损和疲劳断裂失效 磊黔 潮二 唧黼搠 满蘸粼 l： 转 ； ，； ! 图1 5 飞机涡轮机内塔式轴的转动磨损和疲劳断裂 在铁路工业领域，列车轮轴质量作为关键部件其状态直接关系到铁路运行的安全。 轮轴之间为过盈配合，轴的弹性变形及运行中不可避免的振动会造成车轴与