羅文芝，趙容兵，顏茜

具有納米調(diào)制結(jié)構(gòu)的AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層在干摩擦條件下的摩擦磨損性能研究

羅文芝，趙容兵，顏茜

（長(zhǎng)三角臺(tái)州創(chuàng)新中心，浙江 臺(tái)州 318000）

研究干摩擦條件下不同AlTiN/AlCrN多層膜納米調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦磨損行為的影響。將處理過的合金工具鋼和單晶硅片作為膜層生長(zhǎng)的基底材料，在膜層制備之前，先對(duì)基底材料進(jìn)行預(yù)處理，然后使用多靶磁控濺射納米膜層系統(tǒng)沉積一系列不同調(diào)制周期和調(diào)制比的AlTiN/AlCrN納米多層膜。通過控制涂層總厚度不變，在調(diào)制比為1︰1時(shí)，設(shè)計(jì)不同的調(diào)制周期，擇優(yōu)選出磨損量最小、耐磨性最好的調(diào)制周期，并以此為恒定值，進(jìn)而設(shè)計(jì)不同調(diào)制比的試樣。采用X射線衍射儀（XRD）、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析與表征納米多層膜的微觀結(jié)構(gòu)和性能，研究調(diào)制周期和調(diào)制比對(duì)AlTiN/AlCrN納米多層膜微觀結(jié)構(gòu)和干摩擦條件下摩擦磨損性能的影響。AlTiN/AlCrN納米多層膜主體均為面心立方結(jié)構(gòu)，且在(111)、(200)和(220)晶面擇優(yōu)取向。調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)多層膜的磨損特性影響較大，當(dāng)調(diào)制周期為14.4 nm時(shí)，在干摩擦條件下AlTiN/AlCrN納米多層膜的摩擦磨損量最?。辉谡{(diào)制周期恒定為14.4 nm情況下，當(dāng)調(diào)制比為3︰1時(shí)，在干摩擦條件下AlTiN/AlCrN納米多層膜的耐磨性能最好；AlTiN/AlCrN納米多層膜的磨損機(jī)理主要以磨粒磨損和黏附磨損為主。優(yōu)化的AlTiN/AlCrN多層膜納米調(diào)制結(jié)構(gòu)技術(shù)可應(yīng)用在切削刀具的表面再制造領(lǐng)域，從而延長(zhǎng)刀具工作壽命，通過涂層良好的耐磨性能提升設(shè)備的加工效率。

AlTiN/AlCrN；調(diào)制結(jié)構(gòu)；復(fù)合涂層；干摩擦；摩擦磨損

復(fù)雜耐磨條件下的擠壓或切割工器具包括高摩擦環(huán)境和機(jī)械應(yīng)力下的黏附及磨損裝置，它們對(duì)長(zhǎng)期有效壽命有較高要求[1-2]。硬質(zhì)陶瓷基物理氣相沉積（PVD）涂層通常用于改善工器具的耐磨性能、延長(zhǎng)其壽命[3-5]。超硬納米復(fù)合涂層能提供非常高的硬度以及較好的韌性和耐磨性，并且在切削操作時(shí)，對(duì)成品表面加工質(zhì)量有顯著影響[6]。因此，超硬納米陶瓷涂層如TiN、AlCN、AlTiN、AlCrN、TiSiN等，已被沉積在擠壓模具上，用以獲得超硬度和耐磨性[7-9]。此外，超硬納米陶瓷涂層也用作切削刀具涂層，以在切削操作時(shí)減小摩擦、降低磨損、延長(zhǎng)刀具的使用壽命[10-12]。

TiN是一種由物理氣相沉積（PVD）工藝生產(chǎn)的涂層材料，具有廣泛應(yīng)用。向TiN中添加鋁可提高涂層的熱穩(wěn)定性，并大大改善AlTiN的性能，使硬度、耐磨性和抗氧化性能勝任800 ℃的工況條件。以上特征表明AlTiN涂層具有高溫工業(yè)應(yīng)用前景，可在許多金屬和木材的干摩擦加工過程中降低制造成本并提高生產(chǎn)率[13]。因此，近年來，使用基于AlTiN的PVD方法沉積的單層和多層涂層得到了廣泛應(yīng)用。這些涂層可以由不同的PVD方法制作，如磁控濺射、陰極電弧蒸發(fā)等。其中，磁控濺射能夠沉積具有致密結(jié)構(gòu)和優(yōu)異黏附性的涂層。

因?yàn)锳lCrN比AlTiN、TiCN和TiN涂層表現(xiàn)出更好的硬度和耐化學(xué)破壞性，近年來，AlCrN也得到了廣泛應(yīng)用。由于在表面形成了Cr2O3和Al2O3的致密氧化物混合物層，所以AlCrN具有高抗氧化性，可以防止可能分解的AlCrN立方相進(jìn)一步氧化[14-16]。許多研究表明，與TiN和AlTiN涂層相比，AlCrN涂層能提供更好的磨損保護(hù)，并顯示出更低的摩擦因數(shù)。Gant等[17]研究表明，與TiAlN和TiN相比，在環(huán)境為空氣的干摩擦滑動(dòng)中，AlCrN的摩擦因數(shù)較低，形成的碎屑容易被環(huán)境降解。

文獻(xiàn)[18-19]發(fā)現(xiàn)，AlTiN/AlCrN納米多層涂層刀具在銑削不銹鋼時(shí)表現(xiàn)出比單層AlTiN涂層刀具更高的耐磨性?；诖?，本文通過控制涂層總厚度不變，在調(diào)制比為1︰1時(shí)設(shè)計(jì)了不同的調(diào)制周期，并擇優(yōu)選出磨損量最少、耐磨性最好的調(diào)制周期，以此為恒定值，進(jìn)而設(shè)計(jì)了不同調(diào)制比的試樣，通過比較同一調(diào)制周期、不同調(diào)制比試樣的性能，研究了具有納米調(diào)制結(jié)構(gòu)的AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層的摩擦行為，隨后優(yōu)選出最佳調(diào)制周期條件下的最佳調(diào)制比結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)的CrAl靶（原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為40%和60%）和TiAl靶（原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為45%和55%）皆采用直徑為50.8 mm、純度為99.99%的合金作為濺射靶材。濺射氣體采用高純度Ar氣，反應(yīng)氣體為高純N2。采用處理過的合金工具鋼和單晶硅片作為膜層生長(zhǎng)的基底材料。

采用ANELVA SPC 350多靶磁控濺射納米膜層系統(tǒng)制備膜層。在膜層制備之前，先對(duì)基底材料進(jìn)行預(yù)處理：依次使用丙酮和無水乙醇對(duì)基底超聲清洗10 min；將清洗后的樣品置于磁控濺射系統(tǒng)真空小室中；當(dāng)小室壓強(qiáng)抽至0.5 Pa時(shí)，充入Ar氣至小室壓強(qiáng)為20 Pa，輝光清洗30 min。待預(yù)處理結(jié)束后，將樣品傳送至濺射室，待背底真空度達(dá)到試驗(yàn)要求后，調(diào)節(jié)試驗(yàn)參數(shù)，開始進(jìn)行試驗(yàn)[20]。在濺射過程中通過控制靶材擋板的開關(guān)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)膜層周期結(jié)構(gòu)。

AlTiN/AlCrN多層膜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示?？梢钥吹?，AlTiN/AlCrN多層膜由AlTiN層和AlCrN層相互交替生長(zhǎng)而成，膜層的總厚度為5.8～6.2 μm。當(dāng)調(diào)制比為1︰1時(shí)，設(shè)計(jì)調(diào)制周期分別為7.2、9.2、14.4、27.6、52.8 nm的5組試樣膜層結(jié)構(gòu)；在優(yōu)選出最佳調(diào)制周期后，以此為恒定值，設(shè)計(jì)調(diào)制比分別為5︰1、4︰1、3︰1、2︰1和1︰1的5組試樣膜層結(jié)構(gòu)。

圖1 AlTiN/AlCrN多層膜膜層結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)分析測(cè)試方法

采用日本理學(xué)株式會(huì)社Rigaku D/MAX2550VB/ PC型旋轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀分析AlTiN/AlCrN多層涂層各薄膜的相組成，用4 （°）/min、功率為18 kW（40 kV，100 mA）的X射線（Cu靶發(fā)射）進(jìn)行掃描，掃描范圍為30°～100°。

1.3 干摩擦條件下的摩擦磨損性能試驗(yàn)

干摩擦試樣為尺寸15 mm′6 mm′6.8 mm的長(zhǎng)方塊，以其寬面為摩擦面。在MM-200型環(huán)塊式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試摩擦磨損性能，由于干摩擦使用溫度可能超過150 ℃，普通軸承鋼硬度將急劇下降，所以摩環(huán)材料采用W18Cr4V高溫軸承鋼，其尺寸如下：外徑為40 mm、內(nèi)徑為16 mm、厚度為10 mm。采用的淬火熱處理工藝如下：在1 250～1280 ℃下保溫40 min，油冷至室溫，實(shí)測(cè)平均硬度為64.8HRC。接著采取回火處理，工藝如下：在220～240 ℃下2.0 h，實(shí)測(cè)平均硬度為63HRC，置于機(jī)油中保存。試驗(yàn)時(shí)，預(yù)先用金相砂紙打磨摩塊磨面和摩環(huán)外環(huán)面，以確保摩擦面相互平行。在室溫下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，載荷恒定取5 kg，摩環(huán)轉(zhuǎn)速分別為200 r/min和400 r/min，測(cè)試時(shí)間分別為30、60、90 min。

式中：為磨損體積，mm3；為摩塊的磨面寬度，mm；為摩環(huán)外徑，mm；為磨槽寬度，mm；為磨損率，mm3/(m×N)；為外加載荷，N；為滑動(dòng)距離，m。

在觀察磨損表面的微觀組織形貌時(shí)，采用沿摩擦方向的磨損試樣，并且利用線切割技術(shù)沿垂直于磨面的縱截面裁剪磨損試樣，再進(jìn)行研磨拋光，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的氫氟酸腐蝕，之后進(jìn)行掃描電鏡觀察。

2 結(jié)果及討論

2.1 X射線衍射圖譜分析

AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層的XRD衍射圖譜如圖2所示。掃描速率維持在2 （°）/min，掃描范圍為30°～ 100°。由圖2可知，該復(fù)合涂層含有純相的TiN、CrN、AlN和Ti3Al2N2。AlTiN/AlCrN納米多層膜主體均為面心立方結(jié)構(gòu)，在(111)、(200)和(220)晶面呈現(xiàn)擇優(yōu)取向。其取向不隨調(diào)制周期和調(diào)制比而發(fā)生改變。衍射峰的強(qiáng)度隨著層厚的增大而逐漸減小，這表明晶粒尺寸逐漸減小及優(yōu)選取向逐漸減弱。

由圖2可知，在AlCrN/TiAlN涂層中，TiN(111)平面具有主導(dǎo)取向。TiN峰表明涂層具有B1-NaCl晶體結(jié)構(gòu)。圖2中的尖銳峰表明AlCrN/AlTiN涂層具有高結(jié)晶度。圖2還顯示，涂層的主要含量為AlN，其次是TiN和CrN。因?yàn)闆]有明顯的峰加寬現(xiàn)象，可以認(rèn)為涂層的晶粒是納米晶體。在形成涂層的初始階段，Al、Ti和Cr以元素形式存在；隨著濺射工藝的進(jìn)行，Ti顆粒嵌入Al中形成復(fù)合顆粒。衍射圖譜顯示，AlN為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，即B4密排六方相，CrN為B1-NaCl晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)計(jì)算可知，平均晶粒尺寸為30～90 nm。

圖2 AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層的XRD衍射圖譜

由圖2可知，涂層中有微量的AlTiN存在，其結(jié)構(gòu)為密排六方（hcp）Ti3Al2N2，分別在(200)和(114)晶面。由于鋁原子的半徑較小，而鈦原子半徑相對(duì)較大，二者相互取代可使晶格常數(shù)發(fā)生改變。其中，鈦的原子半徑（0.014 6nm）大于鋁的原子半徑（0.014 3nm）。隨著鋁含量的上升，晶體結(jié)構(gòu)畸變加劇，晶格常數(shù)降低。

2.2 干摩擦條件下的摩擦磨損性能

2.2.1 納米調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦磨損率的影響

當(dāng)涂層總厚度不變、調(diào)制比為1︰1時(shí)，不同調(diào)制周期下的AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層多層薄膜的磨損率如圖3所示。由圖3a可知，當(dāng)摩環(huán)轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，調(diào)制周期分別為7.2、9.2、14.4、27.6、52.8 nm的5組試樣磨損率的變化趨勢(shì)大致一致：隨著滑動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，磨損率在30～60 min時(shí)明顯增大，在60～90時(shí)緩慢增大；當(dāng)調(diào)制周期從7.2 nm逐漸增大到14.4 nm時(shí)，磨損量減??；當(dāng)調(diào)制周期從14.4 nm逐漸增大到52.8 nm時(shí)，磨損量增大；當(dāng)調(diào)制周期為52.8 nm時(shí)，平均磨損率最大；當(dāng)調(diào)制周期為14.4 nm時(shí)，磨損量最小，耐磨性最好。通常多層薄膜的摩擦行為都會(huì)經(jīng)歷跑合階段和穩(wěn)定磨損階段。在30～60 min的跑合階段，磨損率迅速增大，薄膜的磨損率起伏較大，這是由于當(dāng)摩環(huán)與樣品開始磨合時(shí)，兩者接觸面上的非平整區(qū)域接觸會(huì)造成摩擦阻力快速加大。隨著摩擦階段的持續(xù)進(jìn)行，摩環(huán)的接觸表面逐漸平滑且涂層在干摩擦升溫后發(fā)生氧化，部分氧化產(chǎn)物也有利于降低摩擦力[21]。在60～90 min時(shí)，摩擦過程進(jìn)入穩(wěn)定階段，磨損率波動(dòng)較小，會(huì)維持在一個(gè)穩(wěn)定值。由圖3b可以看出，當(dāng)摩環(huán)轉(zhuǎn)速為400 r/min 時(shí)，除因?yàn)檗D(zhuǎn)速快、磨損率略高外，其變化趨勢(shì)與圖3a中的趨勢(shì)一致。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層磨損率的變化曲線

以優(yōu)選出的最佳調(diào)制周期14.4 nm為恒定值，當(dāng)摩環(huán)轉(zhuǎn)速為200 r/min和400 r/min時(shí)，不同調(diào)制比下AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層磨損率變化曲線如圖4所示。保持每層AlTiN/AlCrN厚度之和即調(diào)制周期不變，當(dāng)調(diào)制比為5︰1、4︰1、3︰1、2︰1和1︰1時(shí)，納米多層結(jié)構(gòu)部分的厚度在6.0 μm左右。在200 r/min低速（見圖4a）下，隨著調(diào)制比（AlTiN/AlCrN）從3︰1、4︰1增大到5︰1，多層膜的磨損量增大；隨著調(diào)制比（AlTiN/AlCrN）從3︰1、2︰1減小到1︰1，多層膜的磨損量增大且較為明顯。在400 r/min高速（見圖4b）下，5個(gè)試樣的磨損率變化趨勢(shì)與200 r/min時(shí)的大致一致，在調(diào)制比3︰1時(shí)出現(xiàn)了磨損量變化的最小極值點(diǎn)，這說明調(diào)制比會(huì)明顯影響多層膜的磨損壽命。隨摩擦過程的進(jìn)行（滑動(dòng)時(shí)間增加），磨損率波動(dòng)減小，并逐漸維持在一個(gè)穩(wěn)定值。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層磨損率變化曲線

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)制周期的改變影響了多層薄膜磨損率，隨著納米調(diào)制周期的減小，層間界面數(shù)量增多，大量交替界面層對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎效應(yīng)，當(dāng)兩調(diào)制層具有不同剪切模量時(shí)，位錯(cuò)具有不同的線能量密度[22]。在AlTiN/AlCrN納米多層膜的沉積過程中，當(dāng)位錯(cuò)穿過AlTiN層與AlCrN層界面時(shí)將受到多層膜界面對(duì)其施加的鏡像力作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，引起了薄膜強(qiáng)化[23]。這表明多層膜的強(qiáng)化程度在一定范圍內(nèi)與其調(diào)制周期的大小成反比，調(diào)制周期越小，其界面位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)越強(qiáng)，多層膜的硬度越大，涂層的磨損率越低。但當(dāng)AlTiN/AlCrN層的厚度低于一定閾值時(shí)，鏡像力不足以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使其能穿透AlTiN/AlCrN層生長(zhǎng)，調(diào)制層的耐磨性隨之降低，涂層的磨損率逐漸增大。當(dāng)調(diào)制比為3︰1、調(diào)制周期為14.4 nm時(shí)，即為相應(yīng)閾值。

調(diào)制周期以及調(diào)制比會(huì)影響晶粒和位錯(cuò)的滑移與生長(zhǎng)，合適的空間以及清晰的AlTiN/AlCrN界面可以阻礙位錯(cuò)的滑移與晶粒的長(zhǎng)大，而這種多層結(jié)構(gòu)引起的交變應(yīng)變力場(chǎng)和彈性模量差異對(duì)硬度的提高和應(yīng)力的釋放也有一定貢獻(xiàn)[24]。所以調(diào)制周期和調(diào)制比均存在一個(gè)閾值，在最佳的試驗(yàn)條件下，采用多靶磁控濺射的方法，通過控制多層膜調(diào)制周期、調(diào)制比可以制備出耐磨性能優(yōu)異的AlTiN/AlCrN多層膜。

2.2.2 納米調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)表面磨損表征的影響

等調(diào)制比（調(diào)制比1︰1）、不同調(diào)制周期條件下制備的AlTiN/AlCrN多層薄膜磨痕形貌如圖5所示。經(jīng)過90 min磨損試驗(yàn)后，粒徑大的磨屑與母體分離后進(jìn)入摩擦副接觸面間隔，被研碎為小粒徑磨料，隨后在摩擦過程中經(jīng)擠壓成為犁溝。摩擦副表層也是高低不一的，摩擦環(huán)與納米多層膜的硬度相差不大，在摩擦?xí)r，凸起部分會(huì)劃傷納米多層膜表面，產(chǎn)生與摩擦方向平行的劃槽，但劃槽的形態(tài)卻因摩擦環(huán)凹凸不平而改變，如圖5所示，其粗細(xì)、深淺皆不完全相同。

從圖5可以看出，試樣經(jīng)0.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氫氟酸腐蝕后，其表面磨損都由兩類區(qū)域構(gòu)成：淺色粗糙區(qū)和黑灰色光滑區(qū)。在光滑區(qū)內(nèi)，分布著大量平行細(xì)線，即磨損溝槽，并與摩擦方向平行，說明納米多層膜表面的磨損屬于磨粒磨損機(jī)制。粗糙區(qū)凹凸不平，它是由已剝落的納米多層膜生成的，因此，在掃描電鏡下顯示為琥珀色，是磨損最嚴(yán)重的位置，這表明還有黏著磨損參與進(jìn)來。倘若拿粗糙區(qū)的面積比來大致代表該非晶涂層摩擦試樣的磨損等級(jí)，從圖5可辨識(shí)出隨著調(diào)制周期的增大，磨損率先變小后增大，當(dāng)調(diào)制周期為14.4 nm、調(diào)制比為1︰1時(shí)，磨痕較平整，淺色粗糙區(qū)較少，這與圖4中平均摩擦因數(shù)小、磨損率小的結(jié)果相符。當(dāng)調(diào)制周期為7.2、9.2、27.6、52.8 nm時(shí)，磨痕較寬，形貌粗糙，磨屑顆粒相對(duì)較大，與調(diào)制周期為14.4 nm的薄膜相比，粗糙區(qū)更寬，磨損機(jī)理以磨粒磨損和黏附磨損為主。

等調(diào)制周期（調(diào)制周期14.4 nm）、不同調(diào)制比條件下制備的AlTiN/AlCrN多層薄膜磨痕形貌如圖6所示。當(dāng)調(diào)制周期為14.4 nm、調(diào)制比為3︰1時(shí)，經(jīng)90 min磨損后，多層薄膜的磨面劃槽細(xì)而淺，幾乎被黑灰色光滑區(qū)占據(jù)，未見明顯淺色粗糙區(qū)，見圖6a。當(dāng)調(diào)制周期為14.4 nm、調(diào)制比為5︰1時(shí)，經(jīng)90 min磨損后，多層薄膜的磨面劃槽深且寬，產(chǎn)生了溝槽磨損，除少部分光滑區(qū)外，淺色粗糙區(qū)較多，見圖6b。對(duì)比圖5c可知，與調(diào)制周期為14.4 nm、調(diào)制比為1︰1的多層薄相比，顯然調(diào)制周期為14.4 nm、調(diào)制比為3︰1的多層薄膜的耐磨性能更好，這與圖3和圖4的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5 等調(diào)制比不同調(diào)制周期條件下制備的AlTiN/AlCrN多層薄膜磨痕形貌圖

圖6 等調(diào)制周期不同調(diào)制比條件下制備的AlTiN/AlCrN多層薄膜磨痕形貌圖

3 結(jié)論

1）用多靶磁控濺射納米膜層系統(tǒng)在合金工具鋼基體上制備了調(diào)制周期分別為7.2、9.2、14.4、27.6、52.8 nm（調(diào)制比1︰1）的5組試樣及調(diào)制比分別為5︰1、4︰1、3︰1、2︰1和1︰1（調(diào)制周期為14.4 nm）的5組試樣以及納米多層結(jié)構(gòu)涂層厚度為5.8～6.2 μm的AlTiN/AlCrN納米多層膜。XRD分析結(jié)果表明，該多層膜結(jié)構(gòu)清晰，AlTiN/AlCrN納米多層膜主體均為面心立方結(jié)構(gòu)，在(111)、(200)和(220)晶面呈現(xiàn)擇優(yōu)取向。

2）通過摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析與表征納米多層膜微觀結(jié)構(gòu)和性能，研究調(diào)制周期和調(diào)制比對(duì)AlTiN/AlCrN納米多層膜微觀結(jié)構(gòu)和干摩擦條件下摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)調(diào)制結(jié)構(gòu)對(duì)多層膜磨損特性的影響較大，在恒定調(diào)制比1︰1條件下，當(dāng)調(diào)制周期為14.4 nm時(shí)，AlTiN/AlCrN納米多層膜在干摩擦條件下的摩擦磨損量最??；在調(diào)制周期恒定為14.4 nm情況下，當(dāng)調(diào)制比為3︰1時(shí)，AlTiN/AlCrN納米多層膜在干摩擦條件下的耐磨性能最好。AlTiN/AlCrN納米多層膜的磨損機(jī)理主要是磨粒磨損和黏附磨損。

3）該技術(shù)可應(yīng)用在切削刀具的表面再制造領(lǐng)域，從而延長(zhǎng)刀具工作壽命，通過涂層良好的耐磨性能提升設(shè)備的加工效率。

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Friction and Wear Properties of AlTiN/AlCrN Composite Coatings with Nano Modulation Structure under Dry Friction Conditions

LUO Wen-zhi, ZHAO Rong-bing, YAN Qian

(Taizhou Innovation Center, Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University, Zhejiang Taizhou 318000, China)

The work aims to investigate the effect of different AlTiN/AlCrN multilayer nano modulation structures on their friction and wear behavior under dry friction conditions. The treated alloy tool steel and monocrystalline silicon were used as the substrate materials for film growth. Before the film was prepared, the substrate materials were pretreated, and then a series of AlTiN/AlCrN nano multilayers with different modulation periods and modulation ratios were deposited with a multi-target magnetron sputtering nano film system; by controlling the total thickness of the coating to remain unchanged, different modulation periods were designed at a modulation ratio of 1:1. After selecting the modulation period with the least wear loss and the best wear resistance, it was used as a constant value, and then different modulation ratio samples were designed; the microstructure and properties of nano multilayers were analyzed and characterized with a diffractometer (XRD) and a friction and wear tester. The effects of modulation period and modulation ratio on the microstructure of AlTiN/AlCrN nano multilayers and the friction and wear properties under dry friction conditions were studied. The experimental results showed that the main body of AlTiN/AlCrN nano multilayer films was a face centered cubic structure, with preferred orientation on the (111), (200), and (220) crystal planes of this structure. The modulation structure had a significant impact on the wear characteristics of multilayer films. When the modulation period was 14.4 nm, the friction and wear amount of AlTiN/AlCrN nano multilayer films was the smallest under dry friction conditions; when the modulation period was constant at 14.4 nm and the modulation ratio was 3:1, the wear resistance of AlTiN/AlCrN nano multilayer films was the best under dry friction conditions; the wear mechanism of AlTiN/AlCrN nano multilayer films was mainly abrasive wear and adhesive wear. In conclusion, the optimized AlTiN/AlCrN multilayer nano modulation structure technology can be applied in surface remanufacturing of cutting tools, thereby extending the tool's service life and improving equipment processing efficiency through its good wear resistance.

AlTiN/AlCrN; modulation structure; composite coating;dry friction; frictional wear

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.015

TH117

A

1674-6457(2023)10-0129-07

2023-08-03

2023-08-03

臺(tái)州市科技計(jì)劃（22gya20）

Taizhou Science and Technology Plan Project Funding Number (22gya20)

羅文芝，趙容兵，顏茜. 具有納米調(diào)制結(jié)構(gòu)的AlTiN/AlCrN復(fù)合涂層在干摩擦條件下的摩擦磨損性能研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 129-135.

LUO Wen-zhi, ZHAO Rong-bing, YAN Qian.Friction and Wear Properties of AlTiN/AlCrN Composite Coatings with Nano Modulation Structure under Dry Friction Conditions[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 129-135.

責(zé)任編輯：蔣紅晨