环球时讯：反应磁控溅射沉积纳米级涂层的表面形貌和摩擦学性能

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文|奇物君

(资料图片仅供参考)

编辑|奇物君

随着科学技术的不断发展，纳米级涂层作为一种新型的功能材料，广泛应用于摩擦学、电子学、光学和材料科学等领域。其中，在摩擦学领域，纳米级涂层的应用能够显著改善材料的摩擦性能和耐磨性能。

而反应磁控溅射是一种常用的纳米级涂层制备方法，通过该方法可以制备出具有优异性能的纳米级涂层。

本文旨在研究反应磁控溅射沉积的纳米级涂层的表面形貌和摩擦学性能，为纳米级涂层的设计和应用提供参考。

●○机械和摩擦性能评估○●

通过销盘摩擦和SRV测试方法评估摩擦学特性。销盘磨损测试是在空气湿度为50±10%和温度为25±3°C的情况下进行的，使用盘上销摩擦计，其对应物由SUS304钢组成，水平放置在转盘上。

磨损测试在0.5 N的负载和100 mm/s的线速度下进行，总滑动时间为600 s（对应于60 m的滑动距离）。通过测量磨损疤痕区域的摩擦力来计算摩擦系数。

在SRV测试中，两个测试样品，即球和圆盘，被安装在测试室中并压在一起。如图3，上部试样以预先编程的频率、行程、负载和温度设置在下部试样上振荡。

在这项研究中，测试是在 440 N 负载下使用不含润滑剂的 AISI440C 球压头（SUS6C，直径 0.10 毫米）进行的，使用 500 μm 冲程、50 Hz 频率和室温和大气压（30-000% 湿度）下 30，45 转。通过SRV测试测量涂层的磨损曲线。

图3

TiAlN、TiAlN/SiNx、TiAlN + CNx、TiAlN/CNx + TiAlN 和 TiAlN/CNx + CNx 薄膜的表征结果总结如下表1 ：

表1

测量的TiAlN硬度为2590 HV。多层TiAlN/SiNx、TiAlN/CNx+TiAlN和TiAlN/CNx+CNx薄膜的硬度值均高于单层TiAlN和TiAlN+CNx薄膜。

硬度的增加可归因于在TiAlN/SiNx和TiAlN/CNx薄膜的情况下分别引入了大量的TiAlN/SiNx和TiAlN/CNx界面。多层涂层的高硬度与界面作为晶格位错滑移的有效屏障有关，而晶格位错滑移是微尺度复合涂层中的主要变形机制。

由于这些界面和纳米级效应，在纳米结构涂层中防止了传统的晶格位错滑移。对涂层进行了划痕测试，结果显示多层TiAlN/SiNx、TiAlN/CNx + TiAlN和TiAlN/CNx + CNx薄膜比单层TiAlN和TiAlN + CNx薄膜表现出更高的临界载荷值。

这些结果表明，多层防止断裂延伸的界面和多层结构提高了涂层的耐磨性。

●○摩擦学特性评估○●

通过干燥条件下的往复SRV摩擦试验研究了所有单层和多层体系，并用水和聚α烯烃（PAO）作为润滑膜来表征涂层摩擦性能。

由于PAO具有低倾点、高粘度指数、蒸发特性、低牵引力等特点，因此在本研究中用作润滑膜。硅晶圆基板（测试盘）涂有单层和多层系统，并使用AISI440C球压头（SUS440C，直径：6.0毫米）进行测试。

该测试提供了有关摩擦系数的循环数依赖性以及涂层基材及其摩擦对应物的磨损行为的信息。

磨损量是根据对应物产生的磨损深度推断出来的，并用于量化对应物的磨损。使用光学显微镜和能量色散X射线光谱检查涂层基板的磨损。

●○干燥条件下的摩擦和磨损性能○●

图9显示了所研究的单层和多层系统在室温干燥条件下的摩擦系数随滑动循环次数的变化。摩擦系数取四次试验的平均值。

尽管SiNx、TiAlNx和TiAlN/SiNx涂层在与钢的摩擦接触中表现出相似的摩擦系数（分别为1.11、0.93和0.99），SiNx和TiAlN涂层的磨料磨损大于TiAlN/SiNx涂层。

图9

用光学显微镜对测试后的磨损进行调查。相应的光学显微照片和涂层上形成的磨损痕迹的横截面图像显示在下方图10，比较了单层SiNx、TiAlN和多层TiAlN/SiNx薄膜。

在30000转后，在三个或更多位置测量磨损轨道的平均横截面积。在干燥条件下，SiNx的磨损深度超过29.5μm，TiAlN的含量约为13.6 μm。

TiAlN/SiNx 薄膜的磨损深度为 9.9 μm ，并表现出比SiNx和TiAlN薄膜更好的耐磨性。尽管TiAlN薄膜的摩擦系数低于TiAlN/SiNx薄膜，TiAlN薄膜的磨料磨损大于TiAlN/SiNx薄膜。

图10

与TiAlN薄膜相比，TiAlN/SiNx薄膜具有纳米层微观结构和小晶粒尺寸，因此耐磨性有所增强。我们认为，晶粒直径的减小可能导致表面粗糙度的降低，从而导致涂层的摩擦学性能得到改善。

相反，单层TiAlN+CNx薄膜表现出较低的摩擦系数（约0.71），因此，具有CNx顶层的TiAlN薄膜具有第二低的摩擦系数约为0.71。

值得注意的是，具有CNx顶层的TiAlN/CNx薄膜的摩擦系数明显低于其他涂层。此外，在多层TiAlN/CNx + CNx薄膜中观察到最低的摩擦系数（约0.62），也显示出进一步降低的趋势。

相应的光学显微照片和薄膜上形成的磨损痕迹的横截面图像显示在图11和12上。磨损疤痕的大小是根据磨损标记中央部分的横截面积计算的。

在30，000转后，在三个或更多位置获得磨损轨道的平均横截面积，并在测试后记录薄膜的磨损疤痕大小。

图11

TiAlN薄膜的磨损疤痕尺寸大于5645 μm2 ，而TiAlN/CNx + TiAlN薄膜的尺寸约为5347 μm2 (图 11c和12c).然而，TiAlN + CNx和TiAlN/CNx + CNx薄膜的磨损疤痕尺寸分别为1169和331 μm2。

TiAlN/CNx+TiAlN薄膜表现出比TiAlN薄膜更好的耐磨性。耐磨性的提高可归因于大量TiAlN/CNx界面的引入和多层微观结构的细化。TiAlN+CNx和TiAlN/CNx+CNx薄膜的摩擦系数和磨损疤痕尺寸较小，由于CNx薄膜同时具有耐磨性和润滑性能，因此CNx顶层的沉积明显提高了耐磨值。

图12

●○水润滑下的摩擦和磨损性能○●

涂层的摩擦系数是在滑动系统中使用水作为润滑剂测量的。如下图13。SiNx、TiAlN、TiAlN/SiNx、TiAlN/CNx + TiAlN、TiAlN + CNx和TiAlN/CNx + CNx薄膜的摩擦系数分别为0.54、0.46、0.52、0.45、0.23和0.22。

图13

对于单层SiNx和TiAlN，以及多层TiAlN/SiNx，如图14，尽管观察到单层SiNx（图 14a），没有观察到TiAlN的明显磨损轨迹（图 14b） 和 TiAlN/SiNx （图 14c）水润滑下的薄膜。结果表明，水润滑提高了TiAlN和TiAlN/SiNx薄膜的耐磨性。

图14

对于 TiAlN、TiAlN/CNx + TiAlN、TiAlN + CNx 和 TiAlN/CNx + CNx 样品，在涂层上形成的磨损轨迹的光学照片和横截面图像显示在下方图15和16。

如前所述，从磨损疤痕的大小评估薄膜的磨损。我们观察到磨损疤痕的平均大小分别为301、296、203和184μm2分别用于TiAlN，TiAlN / CNx + TiAlN，TiAlN + CNx和TiAlN / CNx + CNx薄膜。

图15

虽然TiAlN和TiAlN/CNx+TiAlN薄膜表现出相似的摩擦系数，但TiAlN薄膜的磨损疤痕尺寸大于TiAlN/CNx+TiAlN薄膜，表明多层结构提高了TiAlN/CNx+TiAlN薄膜的耐磨性。

然而，由于CNx的沉积，TiAlN + CNx和TiAlN/CNx + CNx薄膜的耐磨性和摩擦系数得到了显着改善，兼具耐磨性和润滑性能 。这一结果与薄膜表面粗糙度和晶粒直径的降低一致。

值得注意的是，在水润滑条件下，CNx顶层涂层的摩擦和磨损深度最低，表明CNx层在潮湿空气中的耐磨性更高。

图16

具体而言，TiAlN + CNx 和 TiAlN/CNx + CNx 涂层的最低摩擦系数分别为 0.23 和 0.22，分别为不含 CNx 层的涂层摩擦系数的 49% 和 51%。

●○PAO 润滑下的摩擦和磨损性能○●

下方图17显示了在 PAO 润滑下从 SRV 测试中测量的摩擦系数的变化。SiNx、TiAlN、TiAlN/SiNx、TiAlN/CNx + TiAlN、TiAlN + CNx 和 TiAlN/CNx + CNx 涂层的摩擦系数平均值分别为 0.18、0.16、0.19、0.15、0.15 和 0.14 。

虽然涂层的摩擦系数差异较小，但具有CNx顶层的TiAlN和TiAlN/CNx+TiAlN薄膜的摩擦系数低于没有CNx顶层的薄膜。

图17

通过激光显微镜观察涂层上形成的磨损轨迹。磨损轨迹的光学照片和横截面图像显示在图18上。与干燥和水条件下相比，在PAO润滑下通过SRV测试测量的所有涂层的磨损疤痕大小显着减小。

磨损疤痕的大小分别为73.0、24.0、14.7和14.3 μm2用于TiAlN，TiAlN + CNx，TiAlN / CNx + TiAlN和TiAlN / CNx + CNx薄膜。PAO润滑剂减少了带和不带CNx顶层的涂层的磨损疤痕的大小。

图18

对于多层TiAlN/CNx + TiAlN，当引入PAO作为润滑剂时，TiAlN/CNx+TiAlN薄膜的磨损疤痕尺寸较低，与TiAlN/CNx + CNx薄膜相似。这一结果表明，在这些润滑条件下，磨损表面会形成有益的摩擦层，从而提供低摩擦系数。

通过SRV摩擦测试确定的薄膜摩擦系数总结在图19上。在干燥条件下，具有CNx顶层的涂层比没有CNx顶层的涂层具有更低的摩擦系数。

然而，由于引入了水或PAO润滑剂，所有涂层都显示出低摩擦系数。这一结果表明，水和PAO等润滑剂可以在摩擦和磨损控制方面改善摩擦性能，例如在切削应用中。

图19

●○钻井中单层和多层涂层的性能○●

采用反应磁控溅射沉积法在硬质合金销和WC-Co钻头上制备了单层TiAlN和纳米级多层TiAlSiN和TiAlCrSiN涂层。通过使用销盘摩擦测试研究了薄膜的摩擦学特性。

销盘磨损测试是在空气湿度为50±10%和温度为25±3°C的情况下进行的，使用销盘摩擦计进行，该摩擦计具有由硬质合金组成的对应物。

磨损测试在2 N的负载和150 mm/s的线速度下进行，总滑动时间为900 s（对应于135 m的滑动距离）。

图20比较了TiAlN、TiAlSiN和TiAlCrSiN薄膜的摩擦系数。二氧化钛铬锡在0.35–0.42的范围内表现出稳定且低的摩擦系数;TiAlN和TiAlSiN的值分别为0.53和0.54。TiAlCrSiN薄膜的稳定摩擦性能归因于纳米层的微观结构。

单层TiAlN以及多层TiAlSiN和TiAlCrSiN涂层直径6毫米直径WC-Co钻头（OSG公司，日本）在碳钢（S50C，50-53HRC）的湿（水溶性流体）钻孔中的寿命显示在图22上。

将多层TiAlSiN和TiAlCrSiN涂层的性能与单层TiAlN涂层的性能进行比较，并以此为参考。钻孔测试在NH4000钻床上进行，切削速度为100米/分钟（5304转），进给速度为0.18毫米/转（955毫米/分钟），孔深为30毫米（直径5×），余量为0.2毫米。

图22

多层TiAlCrSiN涂层钻头的使用寿命是涂有单层TiAlN和多层TiAlSiN涂层工具的2.01倍。为了研究在涂层性能方面观察到的差异，通过SEM成像检查了外角侧面的形态。观察到的磨损模式如图23。

钻1000个孔后，单层TiAlN和多层TiAlSiN涂层在钻头的外角和边缘显示出相当大的磨损。与单层TiAlN和TiAlSiN涂层相比，多层TiAlCrSiN涂层具有优越的钻孔性能。

图23

可归因于更有利的机械（高硬度）和摩擦（低摩擦）性能以及耐磨性。通过将Cr掺入多层TiAlSiN涂层中，性能可能得到增强。

低摩擦系数表明，加工中刀具和切屑之间的摩擦减少，从对应材料中粘附和拾取材料的倾向减少，从而延长了切削刀具的使用寿命。

通过反应磁控溅射将TiAlN单层、TiAlN/SiNx、TiAlN/CNx、TiAlSiN和TiAlCrSiN多层涂层沉积在WC-Co碳化物工具和硅片衬底上。结果表明，多层结构会影响表面形貌、微观结构、力学和摩擦学性质。

由于抑制TiAlN晶粒生长，晶粒细化和表面粗糙度降低，SiNx或CNx层的引入导致硬涂层的形成。当SiNx和CNx层形成时，涂层的形貌由柱状结构转变为细晶结构。

本研究描述的TiAlN/SiNx、TiAlN/CNx、TiAlSiN和TiAlCrSiN多层涂层的耐磨特性比TiAlN单层涂层有所改善。此外，由于沉积了CNx作为最顶层，提高了TiAlN和TiAlN/CNx涂层的摩擦学性能，降低了涂层的摩擦系数和磨损疤痕大小。

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