先进阴极电弧沉积法制备钛铬基氮化单层和纳米结构多层薄膜的摩擦学行为，以提高工业模具和部件的性能

摘要

近年来，过渡金属氮化物薄膜由于具有较高的硬度和韧性而引起了人们的广泛关注。有大量的表面涂料可用于许多不同的工业应用。TiN和CrN由于其硬度高、耐腐蚀和抗氧化性好，并且使用先进的阴极电弧沉积技术可以相对容易地作为单层和多层涂层沉积，因此将被选为耐蚀涂层。这些涂层的成功将取决于涂层工业工具寿命的增加。采用先进的阴极电弧工艺，以单层和纳米多层的形式沉积薄膜，制备出可根据应用需要灵活修改表面性能的涂层。制备了CrN-Cr和TiN-CrN两种涂层结构进行评价。CrN-Cr是硬层和软层的组合，而TiNCrN是硬层和硬层的组合。将这些结构与单层CrN和TiN进行了比较。研究包括显微硬度、粗糙度测试、腐蚀速率测量(恒电位器)和磨损系数。用Calo-test (Ball crater)仪测量了涂层厚度，用Rockwell C仪进行了Mercedes测试，用SEM研究了涂层的结构。 The XRD analysis was carried out to specify the phase structure. As compare to Hard and Soft layer combination, Hard and Hard layer combination shows improved tribological properties.

关键字

高级阴极电弧沉积;纳米结构多层膜;硬、软两层;硬硬涂层;工业工具。

简介

最近，CrN涂层的摩擦学性能已被证明是一种良好的防护涂层候选者，由于它的高硬度[1]，导热性好，化学稳定性好[2］．

如今的制造技术要求工具具有更高的可靠性、耐久性[3.]美观的外观/装饰性的应用和长寿命的操作，这在很大程度上取决于其摩擦学和腐蚀性能[4］．这些包括工具和汽车部件上的Ti和/或Cr硬质耐磨氮化物涂层[5］．

在目前的研究中，涂层是通过先进的阴极电弧沉积(ACAD)生产的，由于生长过程中的高沉积速率，该工艺是最适合的工艺之一[6］．

实验的细节

材料及样品制备

在目前的研究中，一种先进的阴极电弧系统被用于在油淬硬不收缩钢(OHNS)和镜面抛光不锈钢(ss316 -l)试样上沉积单层和多层涂层，其尺寸直径为50毫米(ϕ)及8毫米厚。使用含有有机溶剂的超声波浴彻底清洗这些样品，然后使用脱脂剂去除表面污染物。这些优惠券的粗糙度维持在0.024微米。在ACAD设备中，在超高真空条件下分别沉积TiN、CrN单层、CrN/Cr多层和TiN/CrN双层、TiN/M-CrN。在沉积过程中使用了超高压氮气和99.97%纯度的Ti和Cr靶。

采用Calo磨损、SEM、表面粗糙度等多种表征工具对涂层的摩擦学性能进行了评价。

结果与讨论

对TiN、CrN、MCrN、TiN/CrN和TiN/MCrN薄膜的表面粗糙度分析表明，微粒子的密度和尺寸均有显著降低。扫描电镜照片(图1而且2)显示了相同的明显证据，而Ra值分析(图3而且4)。涂层的附着力也通过Mercedes测试来评估，以确定基材与薄膜之间有足够的附着力(图5)。

卡罗磨损试验(图6)对这些涂层组合的涂层厚度和磨损率进行了评价。与由硬涂层(TiN)和其他硬涂层(CrN, M-CrN)组成的双层体系相比，涂有硬涂层(TiN)的软不锈钢基层磨损率更高。与CrN或TiN相比，MCrN涂层磨损率较低，而TiN+M-CrN涂层磨损率进一步降低(图7)。

涂层磨损测量是通过Calotest在0.188 N的负载下完成的，如表1。

表1:涂层磨损测试采用Calotest，负载为0.188 N。

这些结果清楚地表明，随着基体硬度的提高，磨损率也趋于降低。涂层表面粗糙度也有助于降低磨损率。与软硬涂层组合相比，硬-硬涂层组合具有更好的耐磨性。

在我们早期的研究中，我们已经清楚地证明了硬-硬和硬-软涂层系统的耐腐蚀性的提高(图8)。这些结果补充了我们目前的分析。

这些结果有助于理解基层和涂层结合的磨损机理。在各种工业应用中，基材的选择总是限制因素，因为可用的选项有限。但通过选择合适的涂层，可以很容易地弥补基材的局限性。

结果表明，采用硬底、软硬涂层复合的多层结构是最佳组合。也许这种变化也可以与各种其他硬涂层，以调整工业组件的表面性能，以达到所需的性能水平。

结论

上述结果清楚地表明，基材硬度对CrN和M-CrN涂层的涂层性能有直接影响。与较硬的表面相比，柔软的不锈钢基板磨损率更高。硬质中间层TiN用于提高不锈钢基板的硬度。因此，通过调整衬底硬度，可以调整系统的有效磨损率，并可用于各自的工业应用。

确认

作者要感谢S.S.和L.S. Patkar-Varde学院(Goregaon)，孟买大学，UGC, DST的财政支持和表面改性技术Pvt. LTD - Vasai Thane，为目前的工作提供了实验设施。

参考文献

1. Warcholinski B和Gilewicz A. CrCN/CrN多层涂层的摩擦学性能。国际摩擦学学报。2014;80:34-40。
2. 冯c，等。氮化钛和氮化铬基物理气相沉积涂层体系的摩擦学行为。燃气轮机工程学报。2012;34(4):528 - 528。
3. Ratajski J，等。木工工具用硬质涂层。综述。材料与工程学报。2009;37。
4. Kusinski J，等。采用电弧- pvd技术制备Cr(C,N)复合抗磨涂层对钻头使用寿命的研究。材料与工程学报。2009;33。
5. Cova CF，等。基于CrN/Cr的塑料模具多层涂层。5 . La Metallurgia Italiana - n. 2014;
6. 约翰。高速率厚膜生长。安。启板牙。Sci。1977;7:239 - 260。