Design-Synthesis-Evaluation CrN-Based纳米复合材料的硬涂层

Kim Kwang Ho, Se-Hun Kwon和圆云

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AZojomo体积(ISSN 1833 - 122 x) 2010年11月6日

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实验的程序
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文摘

CrN、Cr-Al-N Cr-Si-N, Cr-Al-Si-N多组分的涂料是由混合沉积涂层系统结合电弧离子镀和溅射技术。纳米复合材料涂层的显微组织由XRD和TEM评估。水晶CrN涂料层被修改为一个共沉积的非晶氮化硅纳米复合材料。Cr-Al-Si-N涂料表现出高硬度约为55 GPa,而那些CrN, Cr-Al-N,和Cr-Si-N涂料是23日,25日,分别和34的绩点。的平均摩擦系数Cr-Si (9.3。%) - n和Cr-Al-Si (8.7。%) - n涂料在很大程度上减少了从0.51 CrN涂料和0.84 Cr-Al-N涂料0.30和0.57,分别由Si的~ 9。%。

关键字

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

介绍

CrN涂料广泛应用于摩擦学的应用,如形成和铸造[1,2]因为优越的耐磨性由于低摩擦系数以及硬度高[3]。此外,CrN涂料显示优良的耐腐蚀严重的环境条件下[4]。因此,CrN涂料通过各种物理气相沉积(PVD)技术如溅射阴极电弧蒸发、离子束溅射等已经深入研究了[5 - 7]。最近,各种合金元素(钛、硅、铝,B和C已经添加到二进制涂料,以进一步改善涂料的各种性能[8]。在这些三元系统中,Cr-Al-N电影显示大大提高抗氧化性能高达900°C的形成稳定的铝氧化障碍₂O₃层的铝原子迁移到表面区域[9],并显示硬度略高于CrN的涂料。Cr-Si-N涂料显示,另一方面很大程度上增加了硬度值和良好的摩擦学性能,由于纳米复合材料的特点,纳米尺度的CrN微晶是嵌入在一个非晶态SiNx阶段(11、12)。的Si和艾尔的影响成CrN晶体,然而,并非全面调查。第四纪Cr-Al-Si-N涂料可以通过两个三元有优越的特性量身定做涂料Cr-Al-N Cr-Si-N。

在这项研究中,微观结构设计、合成和第四纪Cr-Al-Si-N涂料进行了评价。CrN之间的整体比较,Cr-Al-N、Cr-Si-N, Cr-Al-Si-N涂料进行了微观组织和力学性能的涂料。

实验的程序

四种涂层CrN、Cr-Al-N Cr-Si (9.3。%) - n, Cr-Al-Si (8.7。%) - n WC-Co基质沉积和硅晶片混合涂料系统,那里的AIP方法结合磁控溅射技术。Cr的电弧阴极枪源和直流溅射Al和Si枪支来源是安装在每个室的墙。旋转基板持有人是坐落在来源。基于“增大化现实”技术(99.999%)和N2气体注入室(99.999%)。Puritie Cr, Al和Si目标是99.99%。圆盘式的WC-Co基质(20毫米直径和厚度3毫米)在超声波清洗清洁使用丙酮和酒精为20分钟。

沉积薄膜的成分进行了分析通过使用一家探针分析仪(电子探针,日本岛津公司)。沉积薄膜的结晶度和阶段形成了用x射线衍射(XRD、飞利浦)使用Cu-Ka辐射。详细的涂层的微观结构和微晶大小决定从直接观察现场emission-transmission电子显微镜(FE-TEM FEOL,杰姆- 2010 f)操作在200千伏。

涂层的显微硬度是评价使用显微硬度测试仪和努氏硬度计压头(Matsuzawa MMT-7) 25克的负载。通过滑动摩擦系数和磨损行为进行评估测试使用传统ball-on-disc穿装置。一个钢球(直径6.34毫米,700高压_0.2)作为总统的材料。滑动测试进行了滑动速度为0.157米/秒以下1 N的载荷环境温度(约25°C)和相对湿度(25 - 30 % RH)条件。

结果与讨论

图1 (a)、(b) (c)和(d)显示CrN的微观结构示意图,Cr-Al-N,分别Cr-Si-N和Cr-Al-Si-N涂料。CrN涂料一般晶体微观结构有相当大的晶粒尺寸在温和的沉积条件。Cr-Al-N涂料被称为固溶体的铝原子代替铬网站CrN没有很大程度上影响晶粒尺寸细化。在Cr-Si-N涂料CrN颗粒之间的非晶相,形成纳米复合材料的结构CrN微晶是嵌入在赎罪_x阶段[13]。第四纪Cr-Al-Si-N涂料的设计组织预期,可以作为纳米复合材料如图所示图1 d。

图1所示。CrN的微观结构示意图,Cr-Al-N, Cr-Si-N Cr-Al-Si-N涂料。

四种涂层(CrN、Cr-Al-N Cr-Si (9.3。%) - n, Cr-Al-Si (8.7。%) - n涂料)成功地沉积在WC-Co基质混合涂料系统和硅晶片的如上所述。图2显示了x射线衍射模式上面的涂层:CrN, Cr-Al-N, Cr-Si (9.3。%) - n,和Cr-Al-Si (8.7。%) - n涂料。CrN涂料的衍射模式显示,B1氯化钠晶体类型与多个方向(111)、(200)、(220)和(311)。添加铝或硅原子成CrN,衍射峰的位置有点转移到更高的衍射角相比纯CrN晶体。这些峰值移位现象反映了Al和Si会溶解成CrN晶格置换替代的小铝或硅原子Cr网站。然而,衍射峰强度降低,峰值形状扩大的Cr-Al-Si (8.7。%) - n涂料相比Cr-Al-N涂料。这样的XRD峰展宽,总的来说,是一个表明减少颗粒大小的涂料[14]。XRD峰对应的Cr₂N、铬、硅₃N₄,CrSi₂,没有观察到图2

图2。CrN的x射线衍射模式、Cr-Al-N Cr-Si-N, Cr-Al-Si-N涂料。

图3显示了横断面高分辨透射电镜(HRTEM)图像与选区衍射模式(SADP)和暗场CrN的TEM图像,Cr-Al-N, Cr-Si(9.3。%),和Cr-Al-Si (8.7。%) - n涂料。如无花果所示。3 (a)和(b), HRTEM形象和衍射模式表明CrN Cr-Al-N涂料是由相对较大的柱状颗粒。然而,Cr-Si-N、Cr-Al-Si-N涂料被发现复合材料的微晶和非晶相(无花果。3 (c)和(d))。从无花果的暗场TEM图像。3 (e), (f) (g),和(h),上述microstrucutral变化可以更清楚地观察到。此外,它也发现microstruture Cr-Al-Si (8.7。%) - n涂料变成了细粮与相对渗透随机取向的Si₃N₄无定形的阶段CrN相比,Cr-Al-N, Cr-Si-N涂料。

图3。介绍横断面图像与选区衍射模式(a) CrN (SADP), (b) Cr-Al-N, (c) Cr-Si (9.3。%) - n,和(d) Cr-Al-Si (8.7。%) - n的涂料和相应的暗场TEM图像(e) CrN Cr-Al-N (f) (g) Cr-Si (9.3。%) - n,和(h) Cr-Al-Si (8.7。%) - n涂料。

图4显示了CrN的显微硬度值的比较,Cr-Al-N Cr-Si-N、Cr-Al-Si-N涂料。CrN和Cr-Al-N涂层的显微硬度值显示23 GPa和25 GPa,分别。Si并入CrN或者Cr-Al-N涂料、然而,硬度值在很大程度上增加了34 GPa Cr-Si-N涂料和55 GPa Cr-Al-Si-N coatigs由于纳米复合材料的形成sutructure和固溶淬火。

图4。CrN的显微硬度值,Cr-Al-N Cr-Si-N系数,Cr-Al-Si-N涂料。

图5显示了CrN的摩擦系数,Cr-Al-N, Cr-Si(9.3。%),和Cr-Al-Si(8.7。%)涂料钢球。的平均摩擦系数Cr-Si (9.3。%) - n和Cr-Al-Si (8.7。%) - n涂料在很大程度上从0.51下降CrN涂料0.30和0.84为Cr-Al-N涂料Cr-Si-N Cr-Al-Si-N涂料的涂层和0.57 Si之外。

图5。CrN的平均摩擦系数、Cr-Al-N Cr-Si-N, Cr-Al-Si-N涂料。

结论

CrN、Cr-Al-N Cr-Si 9.3 (%) - n, Cr-Al-Si 8.7 (%) - n涂层沉积在WC-Co基质使用混合涂层系统的电弧离子镀(AIP)和溅射技术。从XRD、HRTEM、暗场TEM分析,据透露,合成Cr-Al-N涂料由固溶体(Cr, Al) N微晶,与Si和Cr-Si-N Cr-Al-Si-N涂料~ 9的内容。%是纳米复合材料组成的纳米尺度的固溶体(Cr, Si)或(铬、铝、硅)N微晶嵌在一种无形的罪_x矩阵。Cr-Al-Si-N涂料Si含量为8.7。%被观察到的最大硬度55 gpa由于纳米复合材料结构以及固溶淬火。9.3的平均摩擦系数Cr-Si (%) - n和Cr-Al-Si 8.7 (%) - n涂料与Si含量约为9。%在很大程度上减少相比CrN和Cr-Al-N涂料。

确认

这项工作受到了国家核心研究中心的资助(NCRC)项目(r15 - 2006 - 022 - 01002 - 0)由KOSEF和最多

引用

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详细联系方式

Kim Kwang Ho,霁圆云
材料科学与工程,釜山国立亚博网站下载大学亚博老虎机网登录
韩国釜山609 - 735年

Se-Hun Kwon
材料科学与工程系,韩科院亚博网站下载亚博老虎机网登录
305 - 701年大田,韩国

这篇文章也发表在印刷形式“材料和材料加工技术的进步”,10 [2](2008)85 - 88。亚博网站下载