【摘 要】
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表面涂层技术是提高材料使用性能的一种有效手段,通过在材料表面制备一层耐高温、耐磨损、抗氧化、耐腐蚀的涂层可以明显的提升基体材料的使用寿命。涂层在使用过程中由于剧烈摩擦会产生大量的摩擦热,使接触面的温度急剧升高,导致涂层发生分解、氧化、力学性能下降等变化,而这些变化会导致涂层过早失效,加剧基体材料的磨损,缩短基体材料的使用寿命。因此研究涂层的高温性能对涂层的应用具有重要意义。本课题采用反应磁控溅射系
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表面涂层技术是提高材料使用性能的一种有效手段,通过在材料表面制备一层耐高温、耐磨损、抗氧化、耐腐蚀的涂层可以明显的提升基体材料的使用寿命。涂层在使用过程中由于剧烈摩擦会产生大量的摩擦热,使接触面的温度急剧升高,导致涂层发生分解、氧化、力学性能下降等变化,而这些变化会导致涂层过早失效,加剧基体材料的磨损,缩短基体材料的使用寿命。因此研究涂层的高温性能对涂层的应用具有重要意义。本课题采用反应磁控溅射系统在单晶硅（100）和高速钢(W18Cr4V)基底表面分别制备了氮化铬（CrN）、氮化钛（TiN）、氮化钒（VN）三种氮化物涂层。通过对三种涂层在真空环境中的热稳定性、大气环境下的抗氧化性和摩擦磨损性能进行研究,揭示了三种涂层在高温环境下的热分解和氧化过程以及摩擦磨损机理,为拓宽三种氮化物涂层在工程实践中的应用提供了科学依据。基于以上研究,得出的主要结论如下:（1）真空热稳定性研究表明:CrN涂层在温度达到900℃时N开始大量脱附,在温度达到930℃时达到峰值。在500～900℃范围的CrN涂层向Cr2N相转变;VN涂层在475～795℃范围内出现了表面吸附N的脱附峰,温度继续升高,涂层没有大量的N损失,温度高于500℃时涂层的择优取向发生变化;TiN涂层在温度低于1000℃时,没有大量的N损失。以上分析表明VN涂层热稳定性较高,TiN涂层的热稳定性次之,CrN热稳定性较差。（2）大气氧化研究表明:CrN涂层在700℃及以上生成了致密的Cr2O3氧化层,阻挡空气中的O向涂层内部的扩散和涂层内部N、Cr元素向涂层表面的扩散,延缓了涂层的进一步氧化,其抗氧化性较好,CrN涂层在温度高于750℃时,力学性能开始下降;VN涂层在温度高于400℃时表面生成疏松多孔的钒氧化物,使氧很容易进入涂层内部,在600℃发生熔融,导致整个涂层被氧化,其力学性能在温度高于400℃时显著下降;TiN涂层在500℃及以上发生明显剥落,并且涂层中的氧含量急剧增加。综合以上分析说明CrN涂层的抗氧化性较好,TiN涂层的抗氧化性次之,VN涂层的抗氧化性较差。（3）高温摩擦磨损研究表明:三种氮化物涂层的摩擦系数随着温度的升高呈现降低的趋势。摩擦系数降低是因为随着温度的升高,涂层表面生成的氧化物具有较低的剪切强度,可以起到一定的润滑作用。三种涂层中CrN涂层的磨损率随着温度的升高逐渐增大,但在800℃时反而减小;VN涂层的磨损率在温度低于400℃时呈现升高趋势,而在500～600℃之间磨损率逐渐下降,说明在高温下生成的钒氧化物可以起到良好的减摩耐磨作用,但在温度达到700℃时,磨损率急剧上升,这是由于生成的氧化物液化,导致磨损率迅速上升;TiN涂层的磨损率在温度升高到400℃时增大,在温度达到600℃时下降。随着温度的升高,三种涂层的磨损形式由室温时的抛光磨损和磨粒磨损逐渐转变为黏着磨损。在较高的温度下,涂层的磨损形式主要为氧化磨损和黏着磨损。
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