多层膜结构CrAlN/VN自适应摩擦学涂层的制备及其性能研究

Coatings are important in machining industrial which can improve the machining efficiency and extend tool's life. But traditional coatings often fail during dry green machining due to oxidization and worn owing to high speed friction, elevated temperature without cooling lubricant. Combining lubricant with hard coatings is an effective way out. Vanadium nitride (VN) is self-adaptive, which can be easily oxidized to form vanadium oxides and become lubricious under stress. As CrAlN is hard thus CrAlN/VN combination renders both hardness and lubricious properties which are attractive in dry green machining. This proposal focuses on preparation and properties of multilayered CrAlN/VN coatings which will be fabricated by magnetron sputtering. The effects of multi-layering on the coating's mechanical and tribological properties will be studied. Oxidization behaviors of CrAlN, VN under elevated temperature will be characterized and their functions on tribological behaviors will be researched simultaneously. The lubricant mechanism of self-adaptive multilayer CrAlN/VN coatings will be explored. This purpose of this proposal is to provide theoretical basis and technical supports for developing new multilayered self-adaptive tribological coatings.

涂层技术可大幅度提高切削刀具的综合性能，延长其使用寿命，提高加工效率，在机加工领域有着重要的应用；针对现有涂层材料在绿色加工的高速摩擦、高温、无润滑剂条件下易于氧化、磨损而失效的问题，提出在硬质涂层中加入高温自适应成分，降低涂层在高温条件下的摩擦系数，减小摩擦磨损，提高其使用寿命。CrAlN涂层具有较高的硬度、耐磨性和抗氧化性能，VN涂层具有优良的高温自润滑性能；本项目拟采用磁控溅射技术，通过多层膜结构设计，将CrAlN和VN复合制备成CrAlN/VN自适应摩擦学涂层，系统研究CrAlN与VN层的周期强化作用以及在高温条件下CrAlN、VN周期层的物理化学变化，揭示多层膜涂层周期结构与涂层机械性能、抗氧化性和自润滑等性能之间的关系以及影响该类涂层在高温环境下摩擦学性能的主要因素，探索多层膜结构自适应摩擦学涂层的高温自润滑机理，为新型摩擦学涂层的研制和性能改善提供理论依据和技术支撑。

“绿色加工技术”具有高效、节能、低碳、环保的特点，是未来的发展方向；但对加工工具也提出了苛刻的要求。过渡金属氮化物涂层摩擦系数较高；传统的固体润滑剂涂层，在湿润或高温等条件下易于氧化失效，均难以满足绿色加工技术的需要。针对现有涂层材料在绿色加工的高速摩擦、高温、无润滑剂条件下易于氧化、磨损而失效的问题，本项目提出在硬质涂层中加入自润滑成分，降低涂层的摩擦系数，减小摩擦磨损，提高其使用寿命。在项目经费的支持下，通过纳米微结构设计，将具有较高的耐磨性和抗氧化性能的Cr基氮化物涂层和具有优良的自润滑性能VN涂层结合在一起，采用磁控溅射技术制备CrN/VN，CrAlN/VN和CrAlSiVN系列摩擦学硬质涂层。通过场发式电子探针(FE-EPMA)、掠入射X射线衍射分析仪(GIXRD)、场发式扫描电镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层的微观结构和化学组成；利用纳米压痕仪表征涂层的纳米硬度和弹性模量；利用Ball-on-disc磨耗实验仪表征涂层的摩擦性能。结果表明，V在摩擦磨损过程中能够被氧化形成具有润滑作用的钒氧化物从而能降低涂层体系的摩擦系数。涂层与碳化钨硬质合金的摩擦系数最低达0.26。多层膜结构能有效提高CrAlN/VN涂层的硬度，最高达32.4 GPa。在CrAlVN涂层中加入Si能够显著提高涂层的力学性能，当Si含量为5.4 at.%时，涂层具有最高的硬度为38.7 GPa。在CrAlSiN涂层中加入矾可以起到润滑作用，当钒的含量达到25.8 at.%时，涂层的摩擦系数降低到0.39，磨耗率也呈现下降趋势。CrAlSiVN涂层的硬度随着温度升高而下降；但是和CrAlN/VN涂层相比，CrAlSiVN涂层的抗氧化性得到了显著提高，当温度升到800 °C时，涂层的硬度降低到约11.0 GPa，仍然具有硬质涂层的效果，能够满足绿色加工条件的需求。本项目的研究为新型钒基摩擦学涂层的研制和性能改善提供了理论依据和技术支撑。