目的基于細(xì)晶強(qiáng)化理論,借助新型涂層制備技術(shù)獲得綜合性能優(yōu)良的CrSiN涂層,研究Si含量對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及耐磨性能的影響規(guī)律。方法采用等離子體增強(qiáng)磁控濺射技術(shù),制備四種含有不同Si含量的Cr Si N涂層。使用X射線能譜儀（EDS）、X射線衍射儀（XRD）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和原子力顯微鏡（AFM）,分析涂層的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和表面粗糙度。使用納米壓痕/劃痕儀測(cè)試涂層的顯微硬度、楊氏模量和結(jié)合力。使用摩擦磨損試驗(yàn)儀考察涂層的摩擦磨損行為。結(jié)果 Cr Si N涂層中Si含量隨著Si靶功率的增加而增加。所有涂層中均未檢測(cè)到含Si物相,主要由Cr N相組成。隨著Si含量的增加,CrN（111）衍射峰逐漸減弱直至消失,涂層由疏松的三角錐結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)橹旅芷秸腃rN納米晶和Si3N4非晶共存的復(fù)合結(jié)構(gòu),涂層表面粗糙度顯著降低,涂層的顯微硬度、楊氏模量、結(jié)合力及耐磨性能均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。結(jié)論 Si含量為18.5%的Cr Si N涂層具有最佳的耐磨性能,此時(shí)涂層的硬度、楊氏模量、結(jié)合力和平均摩擦系數(shù)分別約為27 GPa、327 GPa、30 N和0.289。 

【文章來(lái)源】：表面技術(shù). 2020,49(08)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

不同Si含量CrSiN涂層的三維表面形貌

采用納米劃痕技術(shù)（Nano-scratch）測(cè)試了四種不同Si含量的CrSiN涂層的結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看到，涂層結(jié)合力呈現(xiàn)與涂層硬度相似的規(guī)律。隨著Si含量的增加，涂層結(jié)合力先增大后減小，并在Si含量為18.5%時(shí)涂層的結(jié)合力達(dá)到最大。Si含量較低時(shí)，涂層結(jié)構(gòu)疏松、硬度較低，涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度也較弱。隨著涂層中Si含量的進(jìn)一步增加，涂層中Si3N4非晶相增多，涂層晶粒細(xì)化，涂層逐漸趨于平整致密化，涂層中存在較少缺陷，這在一定程度上提高了涂層內(nèi)聚力，因此涂層與基體之間的結(jié)合力增加。當(dāng)涂層中Si含量增加到24.6%時(shí)，涂層雖仍為納米晶與非晶相共存的復(fù)合結(jié)構(gòu)，但不同物相之間的熱物理性能不匹配及涂層中存在的大顆粒等缺陷（圖2d）增多，這兩者都不利于涂層內(nèi)聚力，因此涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度隨著Si含量的增加而降低，這也是涂層過(guò)早失效的主要原因。綜上所述，過(guò)低或過(guò)高的Si含量均不利于CrSiN涂層的綜合性能，合適的Si含量可以使CrSiN涂層保持納米晶與非晶共存的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)使涂層表面均勻、致密、光潔。在本研究中，Si含量為18.5%時(shí)，CrSiN涂層具有最佳的綜合力學(xué)性能。2.4 涂層摩擦磨損性能

圖7給出了四種CrSiN涂層摩擦磨損后的表面形貌。從圖7可以看出，隨著Si含量的增加，涂層磨痕寬度先變窄后變寬，涂層磨損破壞程度先降低后增加。Si含量分別為8.5%和24.6%的涂層磨損破壞最為嚴(yán)重。Si含量為8.5%的涂層由于具有最大的平均摩擦系數(shù)和表面粗糙度，其耐磨性能最差，涂層表面可以清晰地觀察到磨損犁痕；Si含量為24.6%的涂層雖然具有較低的表面粗糙度，但是涂層綜合力學(xué)性能較差，因此該涂層也具有較差的耐磨性能。Si含量分別為12.7%和18.5%的涂層基本上沒(méi)有被磨損，在涂層表面僅觀察到輕微的磨痕，特別是Si含量為18.5%的CrSiN涂層。雖然Si含量分別為12.7%和18.5%的兩種涂層具有相近的平均摩擦系數(shù)，但是Si含量為18.5%的涂層磨痕比Si含量為12.7%的涂層磨痕更窄也更淺。一方面是因?yàn)檫@兩種涂層雖具有相近的表面粗糙度和結(jié)合力，但Si含量為18.5%的涂層具有較高的顯微硬度；另一方面，Si含量較高的涂層中，Si在摩擦過(guò)程中可能與空氣中的氧氣和水蒸氣反應(yīng)，生成更多的具有自潤(rùn)滑作用的SiOx或Si(OH)4薄膜[17-19]，因此高Si含量的涂層的耐磨性能更優(yōu)。綜上所述，本文中Si含量為18.5%的CrSiN涂層具有最優(yōu)的耐磨性能。3 結(jié)論

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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