328 / 2020-10-13 21:17:49

(Cr,V)N涂层的宽温域摩擦学机制研究

(Cr,V)N；氧化性能；力学性能；摩擦学性能；宽温域

  随着现代高速机械加工和成型工业的发展，人们希望在宽温域范围内具有良好摩擦性能的过渡族金属氮化物硬质涂层能够满足工程应用的需求。其中作为一种有代表性的氮化物硬质涂层，CrN涂层由于其良好的抗氧化性，抗腐蚀性和抗粘着性等特点，已经在切削工具行业有二十多年的应用。但是，CrN涂层的硬度相对较低和摩擦学性能不足阻碍了其应用，特别是对于在干燥条件下高达550 ℃时的应用。为了改善这些性能，在我们以前的工作中，V元素已被成功固溶到CrN涂层中，形成了(Cr,V)N固溶体涂层。由于固溶强化的作用，此涂层具有较高的硬度（20 GPa），并且在高温下会生成V₂O₅这种具有易剪切平面的Magnéli相氧化物，为涂层提供非常好的润滑作用，从而获得较低的摩擦系数（μ=0.26）。

  但是，在高温环境下，V会向外扩散发生快速氧化，造成涂层的大幅度消耗，使得涂层的磨损率较高。因此，氧化行为是决定V基硬质涂层耐磨性的重要因素，有必要深入了解V基涂层的磨损机理与温度超过500 ℃时氧化行为的关系。在本工作中，通过阴极电弧技术成功地制备了V含量为14 at.％的(Cr,V)N固溶体涂层，并在500 ℃到900 ℃的范围评估了(Cr,V)N涂层的氧化性能和氧化后的机械性能，而且还研究了这些性能与磨损性能之间可能存在的关联，以阐明磨损机理。结果表明，CrVN涂层在600 ℃开始氧化。随着温度升高，氧化速率增加，涂层经历了从不完全氧化到完全氧化的转变。结构变得疏松，从而削弱了粘合强度。CrN主相的耗散也损害了涂层的硬度。此外，CrVN涂层的高温摩擦学行为分为两个阶段。在500~600 ℃时，磨粒生成，粉化和自聚集的动态过程导致较高的摩擦系数（0.58-0.63）。在700~900 ℃时，随着温度的升高，氧化程度增大，V-O相的生成速率增大，润滑相含量增多，使COF明显降低（0.27-0.38），且逐渐降低。但是，随着温度升高，机械性能受到更严重的破坏，从而导致磨损率增加。涂层的力学性能测试在900 ℃时失败，并且没有耐磨性。综上所述，(Cr,V)N涂层最佳摩擦学性能是在700-800 ℃下获得的。