Al、Si對(duì)TiN及Mo2N基薄膜微觀組織、力學(xué)及摩擦磨損性能的影響.pdf

1、采用射頻磁控濺射法,制備了一系列不同Mo含量的TiMoN、TiAlMoN薄膜,不同Al含量的TiAlN、MoAlN薄膜及不同Si含量的TiSiN、MoTiSiN薄膜。研究了各薄膜微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)及摩擦磨損性能。
　　TiMoN薄膜為fcc結(jié)構(gòu)。Mo含量小于68.37％時(shí),薄膜主要為Mo在TiN中的置換固溶體;當(dāng)Mo含量大于68.37%時(shí),薄膜主要為Ti在Mo2N中的置換固溶體。薄膜顯微硬度隨Mo含量的增加顯著升高,最高為36.37G

2、Pa。薄膜的摩擦系數(shù)隨Mo含量的升高而降低,并最終穩(wěn)定在0.4左右。TiMoN薄膜具有優(yōu)異的耐磨性能,磨損率在1×10-6---1×10-8mm2/N之間。TiMoN薄膜摩擦磨損性能受環(huán)境溫度的影響顯著,按平均摩擦系數(shù)及磨損率隨環(huán)境溫度的變化趨勢(shì),可分為A-C三區(qū)間:25-200℃(A)、200-300℃(B)、300-600℃(C)。在三區(qū)間內(nèi),隨環(huán)境溫度的升高,平均摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)依次為升高、穩(wěn)定、降低;磨損率的變化趨勢(shì)依次為降低

3、、穩(wěn)定、升高。采用“絕熱法”定量計(jì)算了磨痕氧化物的相對(duì)含量,結(jié)果表明,氧化物的相對(duì)含量變化趨勢(shì)與磨損率的相同。分析認(rèn)為,A區(qū)間內(nèi),由磨痕生成的具有潤(rùn)滑作用、易磨損的層狀氧化物相對(duì)含量及磨痕吸附的水汽等潤(rùn)滑物共同作用,導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)及磨損率出現(xiàn)上述變化;磨痕氧化物的相對(duì)含量是導(dǎo)致B、C區(qū)間平均摩擦系數(shù)及磨損率變化的主要原因。
　　TiAlMoN薄膜為fcc結(jié)構(gòu)。當(dāng)Mo含量小于30.07%時(shí),此時(shí)薄膜主要為Mo固溶在TiAlN中的置

4、換固溶體,薄膜硬度隨Mo含量的增加緩慢升高,薄膜平均摩擦系隨Mo含量的增加緩慢降低;當(dāng)Mo含量大于44.61%時(shí),薄膜主要為Ti、Al固溶在Mo2N中的置換固溶體,薄膜硬度及平均摩擦系數(shù)較之前者有明顯改善,且隨Mo含量變化不大;當(dāng)Mo含量為34.31%時(shí),薄膜主要存在兩種固溶體,即Mo固溶在TiAlN中的置換固溶體和Ti、Al固溶在Mo2N中的置換固溶體薄膜硬度及平均摩擦系數(shù)在上述兩者之間。薄膜組織轉(zhuǎn)變是造成硬度及平均摩擦系數(shù)變化的主要

5、原因。
　　Al含量對(duì)TiAlN薄膜微觀結(jié)構(gòu)及性能影響顯著:當(dāng)Al含量小于49.38%時(shí),TiAlN薄膜為fcc結(jié)構(gòu),隨Al含量的升高,薄膜硬度逐漸升高,室溫摩擦系數(shù)逐漸降低;當(dāng)Al含量大于49.38%時(shí),薄膜為fcc+hcp混合結(jié)構(gòu),薄膜硬度逐漸降低,室溫摩擦系數(shù)逐漸升高。受磨痕表面氧化相的影響,TiAlN薄膜(Al含量為49.38%)平均摩擦系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高逐漸降低。MoAlN薄膜(XAl=5.95%-29.37%)為fc

6、c結(jié)構(gòu),具有(111)擇優(yōu)取向.薄膜主要為Al固溶在Mo2N中的置換固溶體,其化學(xué)式可近似表示為(MoxAl1-x)2N.薄膜顯微硬度、彈性模量隨Al含量的增加而逐漸降低,抗塑變能力先增強(qiáng)后降低.分析表明,薄膜顯微硬度主要受固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和VEC值的影響.在高溫環(huán)境下,薄膜中Al原子易于向表層擴(kuò)散生成致密的Al2O3,且Al2O3數(shù)量隨Al含量的增加而增加,故Al元素的引入顯著的提升了薄膜的熱穩(wěn)定性能.室溫下,MoAlN薄膜的平均摩

7、擦系數(shù)較低,且隨Al含量的增加先降低后升高.這種現(xiàn)象主要是由于薄膜抗塑變能力造成的.由于薄膜硬度及抗塑變能力的共同作用導(dǎo)致薄膜磨損率先降低后升高.
　　TiSiN薄膜為面心立方結(jié)構(gòu),隨Si含量的升高,薄膜衍射峰逐漸寬化,當(dāng)Si含量小于20.19%時(shí),薄膜硬度隨Si含量的升高逐漸升高,并在Si含量為20.19%時(shí)到達(dá)最大值,其值為28.38GPa;當(dāng)Si含量大于20.19%時(shí),薄膜硬度隨Si含量的升高先降低后保持穩(wěn)定。MoTiSiN