CRN基纳米复合材料硬涂层的设计合成 - 评价

Kwang Ho Kim，Se-Hun Kwon和Ji Hwan Yun

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AZojomo (ISSN 1833-122X)第6卷2010年11月

主题

摘要
关键词
介绍
实验的程序
结果与讨论
结论
确认
参考文献
联系方式

摘要

采用电弧离子镀与溅射相结合的复合镀层体系制备了CrN、Cr-Al-N、Cr-Si-N、Cr-Al-Si-N多组分涂层。采用XRD和TEM对纳米复合镀层的微观结构进行了表征。通过共沉积非晶氮化硅，将晶态CrN涂层改性为纳米复合涂层。Cr-Al-Si-N涂层的硬度约为55 GPa，而CrN、Cr-Al-N和Cr-Si-N涂层的硬度分别为23、25和34 GPa。添加~ 9at.% Si后，Cr-Si (9.3at.%)-N涂层的平均摩擦系数和Cr-Al-Si(8.7at.%)-N涂层的平均摩擦系数分别从CrN涂层的0.51和Cr-Al-N涂层的0.84降至0.30和0.57。

关键词

CrN、Cr-Al-N、Cr-Si-N、Cr-Al-Si-N、纳米复合材料、微观结构

介绍

CrN涂层由于具有较低的摩擦系数和较高的硬度[3]，具有较高的耐磨性，因此被广泛应用于摩擦学领域，如成型和铸造[1,2]。此外，CrN涂层在恶劣环境[4]条件下具有良好的耐腐蚀性能。因此，人们对溅射、阴极电弧蒸发、离子束溅射等各种物理气相沉积(PVD)技术制备CrN涂层进行了深入研究[5-7]。近年来，为了进一步提高[8]涂层的各项性能，在二元涂层中加入了Ti、Si、Al、B、C等多种合金元素。在这些三元体系中，由于Al的稳定氧化势垒的形成，Cr-Al-N薄膜在900℃时的抗氧化性得到了很大的改善₂O._3.通过将Al原子迁移到表面区域[9-10]，并且表现出比CRN涂层的硬度略高。另一方面，由于纳米复合材料的特性，Cr-Si-N涂层显着增加了硬度值和良好的摩擦学特性，其中纳米化CRN微晶嵌入无定形SINX期[11,12]中。然而，将Si和Al的添加到CrN晶体中的效果未得到完全研究。季甲基-Al-Si-N涂层可具有优异的特性，通过两种Cr-Al-N和Cr-Si-N定制。

在该研究中，研究了季铵族Cr-Al-Si-N涂层的微观结构设计，合成和评价。此外，根据这些涂层的微观结构和机械性能，在CRN，Cr-Al-N，Cr-Si-N和Cr-Al-Si-N涂层中的总体比较。

实验的程序

CR-Al-N，Cr-Si（9.3At。％） - N，Cr-Al-Si（8.7At。％） - N的四种涂层CrN，Cr-Al-N，Cr-Al-Si（8.7At。％） - N通过杂交物沉积在WC-Co底板上和Si晶片上涂料系统，其中AIP方法与磁控溅射技术合并。用于Al和Si源的CR源和DC溅射枪的电弧阴极枪安装在腔室壁的每一侧。旋转基板支架位于源之间。将Ar（99.999％）和N2气体（99.999％）注入腔室。CR，Al和Si目标的纯粹含量为99.99％。使用丙酮和醇在超声波清洁器中清洁圆盘型的WC-CO衬底（直径为20mm，厚度为3mm），致丙酮和醇20分钟。

用电子探针微分析仪(EPMA，岛津)分析了沉积膜的组成。用x射线衍射(XRD, PHILIPS)对沉积膜的结晶度和相形成进行了研究。用200kV的场发射透射电子显微镜(FE-TEM, FEOL, JEM-2010F)直接观察涂层的微观结构和晶粒尺寸。

使用knoop indenter（matsuzawa，mmt-7）的微硬度测试仪评估涂层的显微硬度，在25g的负载下。通过使用传统的球形盘磨损装置通过滑动测试来评估摩擦系数和磨损行为。钢球（直径6.34 mm，700 HV_0．2)用作对应材料。滑动试验是在环境温度(25℃左右)和相对湿度(25 ~ 30% RH)条件下，以0.157 m/s的滑动速度在1 N负载下进行的。

结果与讨论

图1（a），（b），（c）和（d）分别显示CRN，Cr-Al-N，Cr-Si-N和Cr-Al-Si-N涂层的示意性微结构。CRN涂层通常具有相当大的沉积条件具有相当大的晶粒尺寸的结晶微观结构。Cr-Al-N涂层已知为固溶体，其中Al原子被CrN中的Cr位点取代，而不大部分影响晶粒尺寸细化。在Cr-Si-n涂层中，在CRN晶粒之间的非晶相，形成CRN微晶的纳米复合材料结构嵌入在罪中_X阶段[13]。如图1D所示，可以预期设计的季铵Cr-Al-Si-N涂层的设计微观结构。1D。

图1。CrN, Cr-Al-N, Cr-Si-N和Cr-Al-Si-N涂层的组织示意图。

成功地沉积在WC-Co底物和Si上成功沉积了四种涂层（CrN，Cr-Al-N，Cr-Si（9.3At。％） - N，Cr-Al-Si（8.7At。％） - N涂层。如上所述的混合涂层系统的晶片。图2显示了上述涂层的XRD图案：CrN，Cr-Al-N，Cr-Si（9.3At。％） - N和Cr-Al-Si（8.7At。％） - N涂层。CRN涂层的衍射图谱显示B1 NaCl晶体型，具有多种（111），（200），（220）和（311）的多种取向。随着Al或Si原子加入CRN，与纯CRN晶体相比，衍射峰位置略微移至更高的衍射角。这些峰值变化现象反映了添加的Al和Si通过用于Cr位点的较小的Al或Si原子来溶解到CRN格子中。然而，在与Cr-Al-N涂层相比，在Cr-Al-Si（8.7AT.％） - N涂层的情况下，衍射峰强度降低和峰形状。这种XRD峰展现宽度通常是涂层中晶粒尺寸减少的指示[14]。任何对应Cr的XRD峰₂N、铬、硅_3.N_4.，CRSI.₂在图2中未观察到ALN

图2。CrN, Cr-Al-N, Cr-Si-N, Cr-Al-Si-N涂层的x射线衍射图。

图3显示了CrN, Cr-Al-N, Cr-Si(9.3at.%)和Cr-Al-Si(8.7at.%)-N涂层的截面高分辨率TEM (HRTEM)图像和选定的区域衍射图案(SADP)和暗场TEM图像。如图3 (a)和(b)所示，HRTEM图像和衍射图表明，CrN、Cr-Al-N涂层由较大的柱状晶粒组成。而Cr-Si-N, Cr-Al-Si-N涂层是由细晶和非晶相组成的复合材料(图3 (c)和(d))。从图3 (e)、(f)、(g)、(h)的暗场透射电镜图中，可以更清晰地观察到上述微观结构的变化。Cr-Al-Si(8.7 at.%)-N涂层的显微组织由于Si的渗滤而转变为取向相对不规则的细化晶粒_3.N_4.与CRN，Cr-Al-N和Cr-Si-N涂层相比的无定形阶段。

图3。(a) CrN， (b) Cr-Al-N， (c) Cr-Si (9.3% at.%)-N， (d) Cr-Al-Si (8.7% at.%)-N涂层的断面HRTEM图像和相应的暗场透射电镜图像(e) CrN， (f) Cr-Al-N， (g) Cr-Si (9.3% at.%)-N， (h) Cr-Al-Si (8.7% at.%)-N涂层。

图4为CrN、Cr-Al-N、Cr-Si-N、Cr-Al-Si-N涂层的显微硬度值比较。CrN和Cr-Al-N涂层的显微硬度值分别为23 GPa和25 GPa。然而，当Si掺入CrN或Cr-Al-N涂层时，由于纳米复合结构的形成和固溶硬化，其硬度值大幅提高，达到了34 GPa，而Cr-Al-Si-N涂层的硬度值达到了55GPa。

图4。CRN，Cr-Si-n，Cr-Al-Si-N涂层Cr-Al-N系数的显微硬度值。

图5显示了CRN，Cr-Al-N，Cr-Si（9.3At。％）和Cr-Al-Si（8.7At。％）涂层的摩擦系数。Cr-Si（9.3At。％） - N和Cr-Al-Si（8.7At。％） - N涂层的平均摩擦系数大大降低了CRN涂层的0.51，对于Cr-Al-N涂层0.84CR-Si-N涂层0.30，通过Si加入为Cr-Al-Si-N涂层0.57。

图5。研究了CrN、Cr-Al-N、Cr-Si-N和Cr-Al-Si-N涂层的平均摩擦系数。

结论

CRN，Cr-Al-N，Cr-Si（9.3At％） - N，Cr-Al-Si（8.7At％） - N涂层涂覆在WC-Co底板上，使用电弧离子电镀系统（AIP）和溅射技术。从XRD，HRTEM和暗场TEM分析中，揭示了合成的Cr-Al-N涂层由（Cr，Al）N微晶的固溶体组成，以及Cr-Si-N和Cr-Al-Si-N涂层含量为〜9At。％是纳米复合材料，由嵌入无定形罪中的纳米型固溶体（Cr，Si）N或（Cr，Al，Si）n微晶组成_X矩阵。CR-Al-Si-N涂层具有8.7at的Si含量。由于纳米复合结构以及固溶硬化，观察到具有55gPa的最大硬度。与CRN和Cr的Cr-Si（9.3at％） - N和Cr-Al-Si（8.7At％） - N和Cr-Al-Si（8.7at％） - N涂层的平均摩擦系数与Si含量大大降低-al-n涂层。

确认

本工作得到了国家核心研究中心（NCRC）计划（R15-2006-022-01002-0）由Kosef和大多数资助的授予支持

参考文献

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联系方式

Kwang Ho Kim和Ji Hwan Yun
釜山国立大学材料科学与工欧洲杯足球竞彩程学部欧洲杯线上买球
釜山609-735，韩国

Se-hun kwon
韩国科学技术学院材料科学与工欧洲杯足球竞彩程系欧洲杯线上买球
Daejon 305-701，韩国

论文发表在《材料与材料加工技术进展》，10[2](2008)85-88。欧洲杯足球竞彩