139 / 2023-11-20 15:09:49

Cr/CrN/WC过渡层结构用于提高DLC涂层的耐磨性

DLC涂层以其较高的硬度、良好的润滑性和优异的耐磨性而被用于解决运动摩擦副之间不耐磨损的问题，而过渡层结构的选择或设计严重影响涂层的韧性和结合强度，最终决定了涂层整体的耐磨性能。本研究以PH13-8Mo不锈钢为基体材料，采用阴极多弧离子镀沉积与中频磁控溅射沉积复合技术，分别制备带有Ti/TiN/WC过渡层和Cr/CrN/WC过渡层结构的DLC涂层，通过SEM、EDS检测涂层表面微结构信息，显微硬度计、划痕仪和摩擦试验机测试涂层的力学、结合强度和摩擦性能，采用超景深显微镜表征涂层的磨损性能。研究表明，相同沉积工艺下，Cr/CrN厚度相比Ti/TiN沉积厚度由0.9μm减小为0.7μm，沉积速率的降低主要是因为Cr的原子序数大于Ti靶，其靶材熔点更高造成的。熔点更高的Cr靶产生的弧熔滴较小，改善了涂层的表面粗糙度，其表面质量更高一些。性能测试显示，两种过渡层结构的DLC涂层具有相同的显微硬度，均达到1200Hv_0.05；但Cr/CrN/WC过渡层结构的结合强度要明显优于Ti/TiN/WC过渡层结构涂层，临界载荷从51N增加到了72N，表明相比Ti原子，Cr原子与钢基体具有更好粘附作用；20N载荷下的旋转摩擦磨损测试表明， Cr/CrN/WC过渡层结构的DLC涂层摩擦系数要低于Ti/TiN/WC过渡层结构，摩擦系数分别由0.31降低至0.19，主要归功于其较好的涂层表面质量。磨损形貌分析表明，Cr/CrN/WC过渡层结构对DLC涂层耐磨性的提高要显著优于Ti/TiN/WC过渡层结构， 20N载荷下摩擦120min后，Ti/TiN/WC-DLC涂层磨损深度为4.10μm，而Cr/CrN/WC-DLC涂层磨损深度为2.10μm，计算得到磨损率分别为1.23×10^-6mm³/(N·m)和0.61×10^-6mm³/(N·m)。相比Ti/TiN/WC过渡层，Cr/CrN/WC过渡层结构的DLC涂层磨损率提高1倍，这种耐磨性的显著变化主要归功于涂层结合强度的提高和涂层表面质量得以改善；原因是采用Cr靶进行阴极弧沉积时，由于Cr熔点较高，蒸发出的熔滴大颗粒相对较小，进而促进表面质量的改善；而由于基材成分中含有Cr元素，更容易与Cr靶离子产生物理键合，提高了涂层的结合强度。