氮?dú)辶髁勘葘?duì)磁控濺射CrAgCeN 涂層摩擦學(xué)性能的影響

暢為航，蔡海潮，薛玉君，雷賢卿，李航

（1.河南科技大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院 b.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；2.南陽(yáng)理工學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004；3.洛陽(yáng) LYC 軸承有限公司航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471023）

采用物理或化學(xué)的方法在零件表面沉積厚度在微米量級(jí)的陶瓷基涂層，能夠有效改善零件表面的硬度、抗腐蝕、耐磨損和耐高溫等性能，提高工件的使用壽命[1-2]。研究表明，CrN 涂層具有較高的硬度和韌性[3-4]、良好的抗氧化性[5-6]和耐磨性等性能[7-8]，制備CrN 涂層時(shí)添加Al、Ti、Si、Ag、Cu 等元素，可制備出綜合性能優(yōu)良的多元陶瓷基涂層[9-13]。由于金屬Ag 具有低切變強(qiáng)度、穩(wěn)定的熱化學(xué)性，制備出的CrN/Ag 復(fù)合涂層可以減少摩擦，可應(yīng)用于寬溫域下的大氣環(huán)境及真空狀態(tài)[[9,14-15]。但Ag 元素作為固體潤(rùn)滑相會(huì)引起復(fù)合涂層硬度降低，Ag 相迅速耗盡引起CrN/Ag 涂層的磨損壽命較低，不利于保證工件的服役性能和壽命。稀土元素被稱為金屬工業(yè)中的“維生素”，制備涂層時(shí)，添加少量的稀土元素可以改善涂層的微觀結(jié)構(gòu)，提高涂層的表面硬度、減摩耐磨性和光學(xué)性能等[16-18]。研究表明，稀土元素Ce 的原子半徑較大（0.182 4 nm），原子對(duì)外層電子的吸引力低，外層和次外層容易失去電子，化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，Ce元素有助于改善TiN 涂層的耐磨性能[19]。鋁青銅涂層中加入少量的Ce（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%），涂層的微觀組織細(xì)化，硬度和耐磨性提升[20]。NbN 涂層中加入少量Ce 元素，提高了硬度和韌性，減小了摩擦因數(shù)并提高了耐磨性[21]。(Cu,Ce)/Ti 共摻雜類金剛石薄膜，降低了摩擦因數(shù)和磨損率[22]。稀土元素具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，在表面工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注。

磁控濺射是物理氣相沉積（PVD）的一種，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以制備多品種、具有優(yōu)異性能的功能涂層[23-25]。磁控濺射工藝參數(shù)對(duì)涂層成分、組織結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響，磁控濺射制備CrN 涂層隨著沉積壓力的增加，結(jié)晶強(qiáng)化、厚度減小、顯微硬度先升后降[4,26]。隨著基體偏壓的增加，磁控濺射CrAlN 涂層表面孔隙減少，組織致密性得到改善，硬度和彈性模量提高，在偏壓為-80 V 時(shí)達(dá)到最大[27]。磁控濺射CrBN 涂層隨沉積壓力的增加，磨損率降至16×10-8mm3/(N·m)[28]。目前采用磁控濺射方法且引入稀土元素來改善CrN/Ag涂層的研究報(bào)道尚不多見，而且需要進(jìn)一步研究氮?dú)辶髁勘鹊裙に噮?shù)對(duì)CrAgCeN 涂層性能的影響。

為此，本文采用非平衡反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，在不同氮?dú)辶髁勘认轮苽銫rAgCeN 涂層，對(duì)涂層的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討不同氮?dú)辶髁勘葘?duì)涂層摩擦磨損性能的影響，為制備綜合性能優(yōu)良的含稀土元素的多元陶瓷基涂層提供借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 制備方法

采用中科院沈陽(yáng)科儀公司生產(chǎn)的磁控濺射沉積系統(tǒng)制備CrAgCeN 涂層，該系統(tǒng)由真空腔室、循環(huán)水路、氣路、真空系統(tǒng)和電源供給等組成，工作時(shí)靶材在真空室下部，工件安裝于真空室上方可旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)。試驗(yàn)材料特征及用途見表1。對(duì)304 不銹鋼砂代磨及拋光處理，在放入真空室前用丙酮和無水乙醇分別超聲波清洗15 min。沉積20 min 的Cr 過渡層來提高CrAgCeN 涂層的膜基結(jié)合力。沉積過程中，2個(gè)濺射靶同時(shí)工作，工件臺(tái)則以20 r/min 的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，樣品依次通過2 個(gè)濺射靶制備CrAgCeN 涂層，主要工藝參數(shù)：本底真空度5.0×10-4Pa，沉積壓力0.6 Pa，沉積溫度200 ℃，沉積時(shí)間120 min，具體氮?dú)辶髁勘群统练e功率見表2。

表1 試驗(yàn)材料特征及用途Tab.1 Characteristics and application of test materials

表2 CrAgCeN 涂層的沉積參數(shù)Tab.2 Deposition parameters of CrAgCeN coating

1.2 表征與分析

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Jeol JSM-7900F）對(duì)涂層的表面及磨痕形貌進(jìn)行觀測(cè)，并使用EDS 能譜儀分析涂層的化學(xué)成分。用 X 射線衍射儀（Smartlab RIGAKU，Cu 靶Kα 輻射，掃描范圍5°～80°）表征物相組成。

利用iNano 納米壓痕儀分析涂層的硬度、彈性模量，選用Berkovich 壓頭在單晶硅片上進(jìn)行硬度測(cè)試。為避免誤差，隨機(jī)選取5 個(gè)不同位置測(cè)試，結(jié)果取平均值。試驗(yàn)載荷為50 mN，最大壓入深度不超過膜厚的1/10。

在HT-1000 型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試涂層的摩擦磨損性能，選用GCr15（φ6 mm）鋼球?yàn)閷?duì)磨球，摩擦半徑為2 mm，加載載荷為3 N，對(duì)磨時(shí)間為10 min，轉(zhuǎn)速為336 r/min，測(cè)試條件為室溫大氣環(huán)境，摩擦方式為干摩擦狀態(tài)下的圓周循環(huán)滑動(dòng)摩擦。利用白光干涉三維形貌儀測(cè)試磨痕截面輪廓，通過對(duì)截面輪廓進(jìn)行積分得出磨損面積，再乘以摩擦距離得到磨損體積，根據(jù)公式（1）計(jì)算出磨損率。

W=V/(LF) (1)

式中：W為磨損率，mm3/(N·m)；V為磨痕磨損體積，mm3；F為施加的法向載荷，N；L為摩擦總行程，m。通過計(jì)算3 次摩擦試驗(yàn)?zāi)p率的平均值來減少誤差，并以磨損率作為本試驗(yàn)涂層磨損性能的衡量指標(biāo)。

2 結(jié)果及分析

2.1 微觀組織結(jié)構(gòu)

不同氮?dú)辶髁勘认鲁练e的CrAgCeN 涂層表面形貌如圖1 所示?？梢钥闯觯苽涞腃rAgCeN 涂層表面呈“三角錐狀”與“球狀”形貌。當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.6 時(shí)，涂層表面呈現(xiàn)三角錐狀形貌，顆粒較大，組織疏松（圖1a），這是因?yàn)锳r 流量最大，轟擊靶材的效應(yīng)也最高，但會(huì)引起濺射原子與Ar 離子碰撞次數(shù)大量增加，導(dǎo)致濺射原子能量在碰撞過程中損失巨大，致使粒子到達(dá)基片的數(shù)量減少，成膜質(zhì)量不高；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹? 時(shí)，涂層表面的顆粒由三角錐狀向近球狀轉(zhuǎn)變，顆粒逐漸變小，顆粒間縫隙變?。▓D1b），由于Ar 流量下降，濺射原子與Ar 離子的碰撞次數(shù)減少，濺射原子能量在碰撞過程中損耗降低，粒子到達(dá)基片的數(shù)量增加，成膜質(zhì)量有所提升；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，涂層表面呈現(xiàn)小而致密的球狀顆粒形貌（圖1c），可能是Ar 流量適中，轟擊靶材產(chǎn)生的濺射原子與Ar 離子碰撞的概率降低，濺射原子到達(dá)基片的能力最強(qiáng)，成膜質(zhì)量最好；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹? 時(shí)，涂層表面呈現(xiàn)球狀顆粒形貌，顆粒增大，組織致密度下降（圖1d），這是由于Ar 流量過低，造成轟擊靶材效應(yīng)變?nèi)?，濺射出的原子數(shù)量減少，同時(shí)，氮濃度相對(duì)較高會(huì)導(dǎo)致靶材表面形成氮化物（靶材中毒現(xiàn)象），成膜質(zhì)量下降?？梢?，圖1c 中涂層表面球狀顆粒小且致密，這是由于Ar 離子轟擊靶材的效應(yīng)最優(yōu)，沉積涂層表面形貌最好[29]。分析認(rèn)為，涂層中稀土元素Ce 可以提升涂層致密性[30]，CrAgCeN 涂層中的Ce 元素能促使涂層顆粒排列緊湊，且在氮?dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，CrAgCeN 涂層組織更加細(xì)致。

圖1 不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的SEM 形貌Fig.1 SEM morphologies of the CrAgCeN coating at different nitrogen-to-argon flow ratios

圖2 為不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的截面形貌?？煽闯?，不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層微觀結(jié)構(gòu)均為致密柱狀晶。涂層的厚度隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑黾映尸F(xiàn)出先增大后減小的變化，分析原因?yàn)椋翰捎么趴貫R射技術(shù)制備涂層時(shí)，沉積到基體的化合物由濺射金屬粒子與反應(yīng)氣體的反應(yīng)速率共同決定[29]。當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘扔?.6 逐漸增大到3 時(shí)，Ar 流量由大變小，Cr 靶的濺射速率也有由高到低的變化，同時(shí)濺射導(dǎo)致Cr 靶表面化合物的分解速率與生成化合物的速率比由高到低，在這兩方面的共同作用下使得薄膜沉積速率先升高后降低。

圖2 不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的截面形貌Fig.2 Cross-sectional morphologies of the CrAgCeN coatings at different nitrogen-to-argon flow ratios

表3 為不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的成分?？芍?，CrAgCeN 涂層主元素Cr 的含量明顯高于Ce、Ag 元素含量，約是兩者之和的10 倍，N 元素含量為42.1%～43.3%。隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑黾樱∧ぶ蠧r元素含量未發(fā)生明顯變化，幾乎保持恒定，表明氮?dú)辶髁勘葘?duì)薄膜主成分無明顯影響。

表3 不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的成分Tab.3 Composition of CrAgCeN coatings at different nitrogen-to-argon flow ratios at.%

圖3 為不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的XRD譜圖。可以看出，CrAgCeN 涂層主要由CrN、Cr2N、Ag、AgN3和Ce 相構(gòu)成。CrN 相存在（111）、（200）、（220）晶面的衍射峰，當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹? 時(shí)，CrN（111）晶面的衍射峰較弱，Cr2N 相存在（111）、（211）、（113）晶面的衍射峰，當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，CrN相（111）晶面、Cr2N 相（111）的晶面的衍射峰較強(qiáng)，Ce 相存在（101）、（211）晶面的衍射峰，Ce 的（101）衍射峰在氮?dú)辶髁勘葹?.6～1.5 時(shí)較強(qiáng)，在比值為3時(shí)最弱；Ag 元素在圖譜中呈現(xiàn)了Ag（111）、AgN3（121）衍射峰，形成AgN3相是由于提供了所需的生長(zhǎng)動(dòng)力[31]。隨著氮?dú)辶髁勘鹊淖兓?，CrAgCeN 涂層中CrN、Cr2N（111）晶面衍射峰發(fā)生演變的原因是：一方面隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑龃?，形成氮化鉻化合物的幾率增大，導(dǎo)致CrN、Cr2N 相（111）晶面的衍射峰增強(qiáng)；另一方面引入稀土元素Ce 增強(qiáng)了（111）的取向并促使晶界強(qiáng)化，涂層更加致密[32-33]；Ag 具有促進(jìn)CrN 形核及細(xì)化晶粒的作用[14,34]。由于晶粒通常優(yōu)先沿總能量最低的CrN（111）晶面生長(zhǎng)，因此，這有利于組織排列致密[35]。Ce、Ag 利于改變組織結(jié)構(gòu)，且由于沉積條件的差異使表面相貌發(fā)生轉(zhuǎn)變，在氮?dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，Ce 沉積效應(yīng)較優(yōu)，由于Ce 原子半徑較大，容易填補(bǔ)生長(zhǎng)中的晶粒相表面缺陷，涂層組織更加致密。

圖3 不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的XRD 譜圖Fig.3 XRD patterns of the CrAgCeN coating at different nitrogen-to-argon flow ratios

2.2 力學(xué)性能

圖4 為CrAgCeN 涂層的硬度、彈性模量和H/E變化趨勢(shì)?？芍?，隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑龃?，CrAgCeN涂層的硬度和彈性模量值均先增后降。當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.6 時(shí)，硬度較低，與涂層三角錐晶粒疏松結(jié)構(gòu)有關(guān)；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹? 時(shí)，硬度提升，這與涂層越來越致密有關(guān)；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，CrAgCeN 涂層的硬度和彈性模量均達(dá)到最大值，分別為14.1 GPa和213.8 GPa，與涂層顆粒小而致密有關(guān)；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹? 時(shí)，涂層致密度下降且顆粒增大，同時(shí)在XRD 圖譜中無Cr2N（111）晶面的衍射峰，且Cr2N（211）晶面的衍射峰較弱，而Cr2N 相賦予了涂層較高的硬度[36]，由此導(dǎo)致硬度值下降。隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑黾?，涂層的硬度先升后降的主要原因有：一是根?jù)霍爾-佩奇效應(yīng)，晶粒尺寸會(huì)影響涂層的硬度，晶粒尺寸小，晶界較多，能抑制位錯(cuò)滑移，致硬度提升；二是在沉積過程中，Ar 流量較少時(shí)，濺射金屬粒子能力下降，影響粒子到達(dá)基體，過量的氮濃度會(huì)導(dǎo)致在多元靶材表面形成氮化物（靶材中毒現(xiàn)象），然而過高的氬離子導(dǎo)致濺射出的靶材粒子在向基體運(yùn)動(dòng)過程中受到碰撞的次數(shù)和概率增大，均可影響濺射粒子到達(dá)基體[25]，從而降低涂層的硬度和彈性模量。分析認(rèn)為，氮?dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，濺射粒子數(shù)量及碰撞次數(shù)最優(yōu)時(shí)，CrAgCeN 涂層的均勻性和致密性最好，硬度和彈性模量最大。由圖4 還可以看出，隨氮?dú)辶髁勘鹊脑龃?，CrAgCeN 涂層的H/E先升高后降低，當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，CrAgCeN 涂層的H/E值最高，為0.066。這表明A3 涂層抵抗塑性變形的能力強(qiáng)，較高的H/E值往往具有較優(yōu)異的摩擦磨損性能[34,37]。

圖4 不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN涂層的硬度、彈性模量和H/E 值Fig.4 Hardness, elastic modulus, and H/E of the CrAgCeN coatings at different nitrogen-to-argon flow ratios

2.3 摩擦學(xué)性能

圖5 為不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的摩擦因數(shù)及磨損率?？梢钥闯?，隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑黾樱珻rAgCeN 涂層的平均摩擦因數(shù)和磨損率呈現(xiàn)出先降后升的變化規(guī)律，這是因?yàn)椴煌趴貫R射沉積工藝參數(shù)制備涂層的微觀組織和力學(xué)性能不同，摩擦磨損性能也發(fā)生變化[38]。通常，硬度提高有利于改善耐磨性能，而耐磨性受顆粒大小和致密化的影響，當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.6 時(shí)，涂層表面顆粒大且疏松（圖1a），硬度和H/E值較低（圖4），摩擦?xí)r承載能力差，阻礙對(duì)磨球的滑動(dòng)，易產(chǎn)生磨屑，擠壓對(duì)磨球，導(dǎo)致摩擦因數(shù)和磨損率較大（圖5）；隨著氮?dú)辶髁勘仍黾拥?，涂層微觀組織逐漸致密（圖1b），且硬度和H/E值增大（圖4），摩擦?xí)r承載能力增強(qiáng)，影響對(duì)磨球的滑動(dòng)變?nèi)酰羵麥p少，摩擦因數(shù)和磨損率降低；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，涂層表面顆粒小而致密（圖1c），硬度和H/E值最大（圖4），摩擦?xí)r承載能力最強(qiáng)，對(duì)磨球的磨損輕微，而且從圖3 可觀測(cè)到A3 涂層CrN、Cr2N 相（111）晶面的衍射峰較強(qiáng)。由于Cr2N相賦予了涂層高硬度、CrN 相賦予涂層優(yōu)異的摩擦性能[39]，導(dǎo)致摩擦因數(shù)和磨損率減至最??；氮?dú)辶髁勘葹? 時(shí)，涂層表面顆粒大且疏松（圖1a），硬度和H/E值最低（圖4），摩擦?xí)r承載能力差，嚴(yán)重阻礙對(duì)磨球的滑動(dòng)，易產(chǎn)生磨屑和黏著物，對(duì)磨球磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致摩擦因數(shù)和磨損率增大（圖5）。分析認(rèn)為：隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑龃螅繉宇w粒大而疏松轉(zhuǎn)為小而致密（圖1），硬度和H/E值先增大后減?。▓D4），當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，涂層表面致密，EDS 分析表明Ce 的含量最少、Ag 的含量最多（表3），說明Ce、Ag 在含量一定時(shí)對(duì)涂層性能的影響最優(yōu)，硬度和H/E值最高，涂層的耐磨性最好，摩擦因數(shù)和磨損率最小，值分別為0.381 和1.1×10-6mm3/(N·m)。

圖5 不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層的摩擦因數(shù)和磨損率Fig.5 The friction coefficient and wear rate of CrAgCeN coatings at different nitrogen-to-argon flow ratios

圖6 為不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層表面的磨損形貌?？梢钥闯?，CrAgCeN 涂層的磨損形式主要是黏著磨損和磨粒磨損，同時(shí)摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑對(duì)磨痕兩側(cè)擠壓和研磨形成犁溝磨損。隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑黾?，圖6a—c 中磨痕寬度值分別為0.486、0.565、0.532 mm，圖 6d 中磨痕寬度值最大，為0.687 mm。當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.6 時(shí)，涂層表面黏著磨損嚴(yán)重，伴有少量犁溝，這是由于涂層顆粒大而疏松（圖1a），與對(duì)磨球接觸面積大，塑性變形和位移大，抗塑性變形能力差，涂層表面黏著磨損嚴(yán)重，磨痕寬度大；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹? 時(shí)，發(fā)生少量剝落，這是由于涂層顆粒變?。▓D1b），與對(duì)磨球接觸面積雖減小，但塑性變形和位移沒有明顯減小，這是由于硬度不高，涂層表面黏著磨損較重，磨痕寬度略增大；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，涂層表面黏著磨損較輕，磨粒磨損占比加大，因?yàn)橥繉宇w粒小而致密（圖1c），塑性變形和位移最小，抗塑性變形能力最強(qiáng)，磨痕最窄；當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹? 時(shí)，涂層表面磨粒磨損和黏著磨損均增大且犁溝較深，伴有剝落，這是由于顆粒增大且致密度下降（圖1d），塑性變形和位移變大，抗塑性變形能力最差，磨痕最寬。摩擦?xí)r涂層表面的顆粒與對(duì)磨球形成微凸體接觸，產(chǎn)生塑性變形和位移變化，影響磨痕形貌和寬度[40]，分析認(rèn)為，隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑龃?，涂層顆粒大而疏松轉(zhuǎn)為小而致密（圖1），抗塑性變形能力和位移也隨之變化，當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)硬度最高，抗塑性變形能力最強(qiáng)和位移變化最小，因此，涂層的表面磨痕最窄。

圖6 不同氮?dú)辶髁勘认翪rAgCeN 涂層表面的磨損形貌Fig.6 Worn surface morphologies of CrAgCeN coatings at different nitrogen-to-argon flow ratios

圖7 為不同氮?dú)辶髁勘葘?duì)磨球的磨損形貌和能譜圖?？梢杂^察到，對(duì)磨球的磨損形式主要是黏著磨損和磨粒磨損。圖7a 中對(duì)磨球表面凹凸不平，犁溝較深，伴有剝落。圖7b 中對(duì)磨球表面黏著物較多，存在少量犁溝，邊緣堆積磨屑。圖7c 中對(duì)磨球表面平整，黏著物最少，磨粒細(xì)而均勻。圖7d 中表面凸起較多，黏著嚴(yán)重。隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑龃?，涂層表面形貌的顆粒形狀、大小和致密度發(fā)生變化，抗塑性變形能力也不同，對(duì)磨球表面的磨損程度也不同。分析認(rèn)為，在氮?dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，涂層表面顆粒小而致密，抗塑性變形能力高，對(duì)磨球表面的磨損程度輕，對(duì)磨球表面平整。

圖7 不同氮?dú)辶髁勘认聦?duì)磨球表面磨損形貌和能譜Fig.7 SEM morphologies and EDS of the counter-grinding balls at different nitrogen-to-argon flow ratios

CrAgCeN 涂層的摩擦磨損性能不僅受氮?dú)辶髁勘鹊挠绊?，而且還受Ce、Ag 元素的影響。涂層中含有Ag 和AgN3相，隨著摩擦?xí)r間的推移，AgN3分解成Ag 和N2[41]，Ag 具有較低的剪切強(qiáng)度，在涂層與對(duì)磨球界面處充當(dāng)潤(rùn)滑顆粒，能夠減緩摩擦副與磨痕表面的相互作用，從而降低涂層的磨損[14-15,42]。研究報(bào)道在WC 涂層中添加Ce 元素，涂層的抗磨損性能提高了1.23 倍[33]，分析表明Ce 元素在NbN 涂層中的減摩耐磨機(jī)理，使其在磨損表面形成了Ce2O3和CeO2，氧化鈰作為固體潤(rùn)滑劑起到減摩耐磨作用[21]。在CrAgCeN 涂層摩擦試驗(yàn)中，涂層表面的硬質(zhì)顆粒在磨損過程中出現(xiàn)剝離，在壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用下，轉(zhuǎn)移到對(duì)磨球表面（圖7e—h），能譜顯示對(duì)磨球表面有Fe、Cr、Ce、Ag、O 元素，說明Cr、Ce、Ag被磨損轉(zhuǎn)移到對(duì)磨球表面，Ce 元素可能與O 形成氧化鈰。相比于A1、A2、A4 涂層對(duì)磨球表面的能譜，A3 涂層對(duì)磨球表面的Ce、Ag 含量最高（圖7g），推測(cè)在摩擦表面形成氧化鈰和Ag 相的幾率最大，兩者均是良好的固體潤(rùn)滑劑，具有優(yōu)越的潤(rùn)滑性能，起到了一定的潤(rùn)滑效果，有助于減小涂層的摩擦因數(shù)，降低磨損，觀測(cè)到磨損表面磨痕最窄、黏著最輕（圖6c），對(duì)磨球表面平整（圖7c），摩擦磨損性能達(dá)到最優(yōu)。

3 結(jié)論

1）不同氮?dú)辶髁勘认轮苽涞腃rAgCeN 涂層表面呈現(xiàn)“三角錐狀”與“球狀”形貌，隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑黾樱砻嫘蚊灿扇清F轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钚蚊玻?dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，表面呈現(xiàn)出致密的小球狀顆粒形貌，顆粒間緊湊，CrN 相（111）和（200）晶面的衍射峰較強(qiáng)，引入元素促使涂層更致密。

2）隨著氮?dú)辶髁勘鹊脑黾?，涂層的納米壓痕硬度和彈性模量均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，Ce、Ag 的強(qiáng)化效應(yīng)明顯，涂層結(jié)構(gòu)致密，硬度、彈性模量和H/E值分別為14.1 GPa、213.8 GPa 和0.066。

3）CrAgCeN 涂層的摩擦因數(shù)和磨損率隨氮?dú)辶髁勘鹊脑黾映尸F(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)獨(dú)辶髁勘葹?.5 時(shí)，Ce、Ag 影響涂層摩擦學(xué)性能的效果最優(yōu)，摩擦因數(shù)和磨損率值達(dá)到最小值，分別為0.381 和1.1×10-6mm3/(N·m)，對(duì)磨球表面最為平整，涂層的耐磨性能最好。