采用陰極離子鍍?cè)赥iC金屬陶瓷刀具表面制備了AlCrN涂層,采用球/平面接觸方式考察了900℃高溫時(shí)不同載荷作下涂層的摩擦磨損行為。通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察了磨痕輪廓和微觀(guān)形貌,并用能量散射譜和X射線(xiàn)衍射分析了磨損后涂層表面化學(xué)元素和物相的變化,討論了載荷對(duì)涂層摩擦因數(shù)和磨損性的影響。結(jié)果表明,經(jīng)900℃高溫氧化后,涂層中N元素全部釋放,形成Al和Cr的氧化物,改善了潤(rùn)滑性能和磨損性能;在載荷600,800和1000g作用下,涂層摩擦因數(shù)平均值分別為0.1455,0.3939,0.4188,在載荷600g時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦特性,適用于精密切削加工;在高溫下AlCrN涂層表現(xiàn)為氧化磨損,同時(shí)伴隨著少量的磨粒磨損和黏著磨損。
隨著高速、高精度和高效干切削的發(fā)展,表面涂層技術(shù)是有效地改善刀具性能的主要途徑。CrN涂層具有高硬度、高耐磨性和低的摩擦因數(shù)等優(yōu)點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于刀具表面改性處理,但是CrN涂層工作溫度只有650℃,不適用于高溫切削加工。CrN晶體為面心立方結(jié)構(gòu),加入Al原子后,會(huì)替換部分CrN中Cr原子,Al原子固溶到CrN晶體中,CrN晶體結(jié)構(gòu)從面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu),對(duì)其微觀(guān)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和磨損性能有顯著的影響。
在高溫下可以形成Cr2O3和Al2O3這兩種致密氧化物,從而提高其熱穩(wěn)定性,抗氧化溫度可以達(dá)到900℃,仍可以保持高硬度、高耐磨性、抗高溫氧化和與基材附著力好的性能,適用于超大型齒圈的高效干切削。國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到AlCrN涂層高溫摩擦擦磨損性能的報(bào)道。作者采用陰極弧離子鍍法在TiC金屬陶瓷刀具表面制備了AlCrN涂層,分析其在900℃高溫下摩擦磨損行為,為超大型齒圈高效切削加工提供技術(shù)參考。
試驗(yàn)方法
基體材料為T(mén)iC基金屬陶瓷刀具,采用納米級(jí)TiN加入微米級(jí)TiC混合后經(jīng)燒結(jié)制成,其中硬質(zhì)相為T(mén)iC和TiN,粘接劑為Ni,其化學(xué)成分(質(zhì)量比):Ti51.26%,W19.55%,C12.92%,Ni7.63%,Co8.64%。試樣經(jīng)除油噴砂處理后,用丙酮溶液超聲波清洗和無(wú)水乙醇脫水,恒溫爐烘干后,在PVT鍍膜機(jī)上進(jìn)行鍍膜。采用純度為99.99%的Cr和Al為
靶材,鍍膜參數(shù)為:
真空度3×10^-3 Pa,爐內(nèi)溫度500℃,反應(yīng)氣體為N2,鍍膜時(shí)間120min。采用N2氣保護(hù),經(jīng)180℃退火處理2h后,用丙酮在KQ2200DE型數(shù)控超聲清洗,再采用去離子水超聲清洗,z*后用吹風(fēng)機(jī)烘干即得所需試樣。通過(guò)HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察AlCrN涂層在900℃下摩擦-磨損特征,試驗(yàn)參數(shù):載荷分別為600、800和1000g;溫度為900℃,由30段可編程溫度控制器調(diào)節(jié),精度為0.2%FS(滿(mǎn)量程);對(duì)磨件為陶瓷球,摩擦半徑3mm,旋轉(zhuǎn)速度1000r/min。磨損試驗(yàn)結(jié)束后,用SUPRA55型掃描電鏡觀(guān)察涂層高溫磨損前后表面形貌,并用掃描電鏡(SEM)配置的電子能譜儀(EDS)和D/max2500PC型X射線(xiàn)衍射(XRD)儀分析高溫磨損前后涂層化學(xué)組成和物相變化,研究高溫條件下AlCrN涂層磨損失效機(jī)理。
結(jié)果分析與討論
表面形貌與EDS分析
圖1(a)為AlCrN涂層常溫下表面形貌,表面的顆粒比較細(xì)小,其原因是Al靶濺射產(chǎn)額增加,導(dǎo)致涂層形核率增加。涂層表面較平整,存在許多大小不一的凹坑,這是由于離子轟擊引起的涂層表面反濺射效應(yīng)所致,在一定程度上使得涂層表面粗糙度有所降低。AlCrN涂層化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù):Al36.72%,Cr36.11%,N27.18%;原子分?jǐn)?shù):Al34.06%,Cr17.38%,N48.56%,如圖1(b)所示。AlCrN涂層成分為Al、Cr、和N三種元素,其原子數(shù)之比接近2:1:3。這說(shuō)明涂層主要是由Al和Cr的氮化物組成,有利于提高涂層硬度和抗氧化性能。
圖1 AlCrN涂層表面形貌與EDS分析
結(jié)論
(1)經(jīng)900℃高溫氧化后,涂層中N元素全部釋放,表面生成Al2O3和Cr2O3,其中Al2O3氧化物在摩擦過(guò)程中起到減磨作用,表現(xiàn)為較低的摩擦因數(shù),Cr2O3提高了涂層硬度和磨損性能;
(2)在載荷600,800和1000g作用下,涂層摩擦因數(shù)平均值分別為0.1455,0.3939,0.4188,其中在載荷600g下表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦特性,適用于精密切削加工;
(3)在900℃摩擦過(guò)程中,涂層磨痕中產(chǎn)生了大量的氧化物,是高溫下基體原子的擴(kuò)散作用所致,表現(xiàn)為氧化磨損,伴隨著少量的磨粒磨損+黏著磨損。