磁控濺射外部Cr層對CrN磨損寬度的影響

付翊宸 周杰 石大鵬 董晨曦 孫鵬輝 李艷軍 曹新鵬 鄭海忠

摘要：為了提高CrN涂層耐磨性能，采用磁控濺射技術研究外部Cr層對CrN磨損寬度的影響。通過設置不同載荷、轉速、旋轉半徑研究表面摩擦磨損情況。結果表明，旋轉半徑增大，離心力作用效果更加明顯，其中在轉速為300 r/min，旋轉半徑6 mm時，未濺射Cr層的CrN涂層平均磨損寬度達到945.7 μm，且外側磨損更加嚴重，相同條件下濺射外部Cr層的磨損寬度為571.2 μm，說明外部Cr層在磨損過程中有效抑制表面磨損區域增加。濺射外部Cr層后，在轉速為200 r/min時的摩擦系數與表面磨損區域寬度隨旋轉半徑增加而增加。表面磨痕呈犁溝狀，磨損機制為磨粒磨損。

關鍵詞：CrN;磁控濺射;耐磨性;磨損機制;摩擦系數

中圖分類號：U214;TH117.1 文獻標志碼：A

本文引用格式：付翊宸，周杰，石大鵬，等. 磁控濺射外部Cr層對CrN磨損寬度的影響[J]. 華東交通大學學報，2023，40（1）：92-98.

Effect of External Cr Layer on Wear Width of CrN by

Magnetron Sputtering

Fu Yichen1，Zhou Jie1，2，Shi Dapeng1，2，Dong Chenxi1，2，Sun Penghui1，Li Yanjun1，2，Cao Xinpeng3，Zheng Haizhong3

（1. Henan Aerospace Precision Machining Co.， Ltd.， Xinyang 464006， China;

2. Henan Key Laboratory of Fastening Connection Technology， Xinyang 464006， China;

3. School of Materials Science and Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China）

Abstract：In order to improve the wear resistance of CrN coating， magnetron sputtering technology was used to study the influence of external Cr layer on the wear width of CrN coating. The friction and wear of the surface were studied under different loads， rotational speeds and radius. The results show that the effect of centrifugal force is more obvious with the increase of rotation radius. When the rotation speed is 300 r/min， the average wear width of the CrN coating without sputtering Cr layer reaches 945.7 μm and the outer wear is more serious. Under the same conditions， the wear width of the outer Cr layer is 571.2 μm. It shows that the outer Cr layer can effectively inhibit the increase of surface wear area. When the outer Cr layer is being sputtered， the friction coefficient and the wear area width of the surface increase with the increase of the rotation radius at 200 r/min. The wear marks on the surface are furrowed and the wear mechanism is abrasive.

Key words： CrN;magnetron sputtering;wear resistance;wear mechanism;friction coefficient

Citation format： FU Y C，ZHOU J，SHI D P，et al. Effect of external Cr layer on wear width of CrN by magnetron sputtering[J]. Journal of East China Jiaotong University，2023，40（1）：92-98.

高速動車運行過程中，車體內部的緊固件表面會遭受劇烈摩擦，摩擦產生的大量磨屑以及造成的表面磨損缺陷會進一步提高零部件失效風險，并對零部件的耐腐蝕抗疲勞等性能造成惡劣影響[1]。提高零部件表面耐磨性能對于保障動車高速平穩運行至關重要。

相關研究表明，在基體表面覆蓋一層硬質涂層是提高表面耐磨性能的常用技術手段，其中CrN作為一種有效提高零部件表面耐磨性能的硬質涂層而備受關注。Zhang等[2]研究發現在低溫熱循環處理下，CrN涂層會與氧氣發生反應并在接觸面生成Cr2O3，從而有效降低表面摩擦系數。Liu等[3]研究高溫環境下CrN中氮元素擴散對于涂層組織結構影響，結果表明CrN在高溫下會分解為Cr2N或Cr，分解產物通過影響氮元素的擴散從而影響表面氧化物組織形貌。隨著零部件工作的機械環境更加惡劣，對零部件的耐磨性能提出了更高的要求，與CrN涂層有關的增強涂層耐磨性能問題得到了進一步的深入研究。

王飛飛等[4]研究發現，Cr/Cr2O3多層結構盡管具備良好的摩擦磨損性能，但與Cr/CrN結構相比硬度明顯下降，這會導致重載荷作用下涂層在摩擦磨損時更容易發生開裂，從而失效。談淑詠等[5]利用Cr與CrN的強結合性研究不同層厚比對涂層耐磨性能影響，認為下層軟質相Cr可以有效減少上層CrN摩擦產生的顆粒。在此基礎上，Li等[6]研究Cr/CrN多層結構的高溫腐蝕與氧化機制，研究發現多層結構下涂層與基體結合強度明顯提高，然而上述研究卻未進一步解釋外部Cr層對下層CrN摩擦性能影響。鐘厲等[7]研究CrN涂層對刀具使用壽命的影響，采用固定轉速不同載荷下3 mm旋轉半徑的滑動摩擦方案，并未考慮旋轉半徑變化對摩擦性能影響。目前針對CrN耐磨性能的研究集中在以下3個方面：① 不斷改善CrN相關涂層的制備工藝，其中以磁控濺射方法制備效果最佳[8-9]。② 研究涂層厚度與耐磨性能的相關規律，適當的層厚比有助于提升性能[10-11]。③ 采用成分改性，通過組織調控提高耐磨性能，但存在高溫穩定性與界面結合強度問題[12-13]。

綜上所述，CrN依然是提高零部件表面耐磨的重要硬質涂層材料，同時仍存在需要進一步研究的問題，其中關于外部Cr層對CrN磨損寬度的影響以及旋轉半徑對摩擦磨損性能的影響亟待解決。本文利用磁控濺射技術在CrN涂層表面增加Cr層，分析了不同法向載荷、轉速、旋轉半徑下涂層摩擦磨損性能，重點研究高速高載荷下外部Cr層對CrN摩擦性能影響，揭示外部Cr層對CrN磨損寬度的影響與磨損機制。

1 實驗方案

1.1 涂層制備

實驗采用304不銹鋼作為基底材料，材料化學成分（以質量比計）為：Si 0.57%，Cr 16.52%，Fe 80.67%，Ni 2.24%。將不銹鋼基體放置于磁控濺射設備內，首先通入氬氣，氣壓保持0.5 Pa。再通入氮氣，保持氣壓不變且氬氣與氮氣流量比為5∶1，開Cr磁控靶，偏壓降至100 V，持續10 min制備CrN層。關閉氬氣、氮氣后，關閉Cr磁控靶，光柵設為90°，抽氣3 min;重新通入氬氣，氣壓保持0.5 Pa，打開Cr磁控靶，電流80 A，偏壓200 V，占空比80%，持續4 min，再制備Cr層。

1.2 組織與性能表征

采用掃描電子顯微鏡（FEI Nova Nano SEM450）觀察涂層微觀形貌。利用X射線衍射儀（D8ADVANCE-A25）對未濺射外部Cr層的樣品進行CrN物相分析，采用Cu靶，電壓40 kV，電流40 mA從20°至80°連續掃描，掃描速度4°/min。采用粗糙度輪廓儀（JB-6CA）測定表面粗糙度。通過可控氣氛微型摩擦磨損試驗儀（WTM-2E）進行摩擦實驗，選取直徑為3 mm的Gr15球形材料，如圖1所示。試驗前后將樣品放入無水乙醇中超聲清洗15 min，每組摩擦試驗參數測試3次，試驗參數設置如表1所示，其中CrN/Cr表示已濺射外部Cr層。利用三維視頻顯微系統（KH-7700）測量磨損寬度并觀察磨損區域表面形貌。

2 結果分析

2.1 微觀形貌分析

經過表面粗糙度測量，未濺射Cr層前表面粗糙度為0.295 μm，濺射Cr層后表面粗糙度為0.242 μm，說明增加外部Cr層對表面粗糙度影響較小。圖2是未濺射外部Cr層時樣品表面CrN涂層的衍射結果，根據PDF卡片（#11-0065）確認所制備的CrN涂層存在（200）和（220）兩種信號峰且以（200）方向擇優生長，這是由于本次試驗采用的磁控濺射技術偏壓較高，導致粒子流轟擊靶材過程中對其他取向選擇性刻蝕與生長抑制。從圖3微觀形貌可以看出，CrN涂層與外部Cr層組織致密，無明顯孔隙，其中CrN層厚度約1.57 μm，外部Cr層厚度約為1.36 μm。

2.2 相同參數下外部Cr層對摩擦性能影響

當轉速為300 r/min時，濺射外部Cr層的樣品摩擦系數變化如圖4所示。高轉速下會增加Gr15與樣品接觸面之間的摩擦力，使得表面瞬間產生大量磨屑的同時加劇磨屑的排出，導致摩擦系數上升速度較快，磨合階段的時間縮短[14]。在轉速為300 r/min，

旋轉半徑為3 mm時，平均摩擦系數為0.494。當旋轉半徑增加至6 mm，摩擦系數也顯著增加，平均摩擦系數為0.626。然而當摩擦持續時間至17 min后，摩擦系數進一步降低。磨損后的表面形貌如圖5所示，通過對比可以看出，磨損半徑增加至6 mm時，旋轉外側磨損區域不再連續，出現的摩擦系數進一步降低可能是由于磨損寬度的增加受到抑制，導致已磨損區域繼續磨合。對于濺射Cr層的CrN涂層，旋轉半徑對其摩擦系數具有顯著影響，在較大半徑下表現出更好的摩擦性能。

然而對于外部未濺射Cr層的CrN涂層，在轉速為300 r/min，載荷為10 N，旋轉半徑為3 mm時，整個階段的摩擦系數比濺射Cr層后的摩擦系數更低。王永光等[15]將法向載荷增加至60 N發現CrN摩擦系數依然保持穩定，表現出比Cr更好的耐磨性能。但是旋轉半徑增大到6 mm時，摩擦系數在17 min反而逐漸增大。如圖6所示，兩種涂層在相同摩擦試驗條件下磨損寬度發生明顯差異，因此需要進一步討論外部Cr層對CrN摩擦性能的影響。

未濺射Cr層磨損后表面形貌如圖7所示，磨損寬度變化如圖8（b）所示。磨損區域內表面凹凸不平，內外側磨損程度具有明顯區別。在旋轉半徑為3 mm時，外部邊緣處磨損區域較內側區域連續。旋轉半徑增大一倍后，外側磨損程度明顯高于內側，同時犁溝狀磨痕增加。在旋轉半徑為3 mm時，未濺射Cr層的CrN磨損寬度較小。而半徑增大一倍后，磨損寬度增幅顯著，說明在半徑增大的過程中，磨損區域寬度的變化是造成摩擦系數發生突變的主要因素，濺射外部Cr層能夠抑制磨損寬度的增加。并且與圖5對比可以看出表面無裂紋產生，說明兩種涂層摩擦磨損過程中不存在結合差導致的涂層脫落問題。

磨損寬度變化主要是由于旋轉半徑的不同，摩擦過程中表面除受到法向載荷施加力保持恒定外，半徑的變化會導致離心力發生變化[16-17]。合力導致摩擦區域外側較內側承受更大的壓應力，造成更嚴重的磨損程度與摩擦系數上升。與CrN相比，Cr韌性更高且與CrN結合強度高，隨著摩擦溫度的升高，Cr的塑性變形會吸收更多的能量來抑制磨損寬度增加[18-19]。在旋轉半徑增大的情況下，Cr層的增加能夠提高CrN耐磨性能。

在相同轉速，旋轉半徑較小時，離心力對法向摩擦影響較小，磨損趨勢以法向載荷作用方向為主。磨損區域寬度的增加是由于Gr15與試驗樣品表面接觸面積逐漸增加，此時對于外部濺射Cr層的CrN，Cr層磨損產生的磨屑對CrN摩擦性能起到負面作用。開始階段Cr的摩擦性能較CrN差，表現出更高的摩擦系數與更多的犁溝裝磨痕，磨屑會使CrN涂層產生裂紋，并進一步導致脆性開裂失效。而旋轉半徑增大后，在高速旋轉摩擦的條件下，離心力作用效果顯著，Cr層能夠有效抑制徑向磨損寬度增加，Cr和CrN均會在與Gr15接觸面生成Cr2O3進一步降低摩擦系數，并且通過與CrN良好的結合性保持該結構穩定性。

2.3 磨損機制

在轉速200 r/min下，摩擦系數變化如圖9（a）所示。當旋轉半徑為3 mm時，載荷施加導致摩擦系數快速上升，進入磨合階段。5 N載荷下涂層的摩擦系數在2 min時達到最大值0.431，之后摩擦系數逐漸降低，平均摩擦系數為0.359。而在10 N載荷下，法向載荷的增加加劇磨損深度與寬度，同時Gr15表面的磨損進一步增大與涂層材料的接觸面積，大量磨屑的產生與堆積導致摩擦系數上升與磨合時間變長。17 min結束磨合階段，摩擦系數趨于穩定，平均摩擦系數為0.619，在整個摩擦測試階段明顯高于5 N載荷下的摩擦系數。如圖10（a）所示，5 N載荷下表面發生局部磨損，沒有明顯犁溝狀劃痕，這是由于法向載荷較低導致的磨損程度較輕。

旋轉半徑增大一倍，兩種載荷下摩擦系數明顯增加。5 N載荷下摩擦系數在10 min時趨于穩定，平均摩擦系數為0.744，而10 N載荷下平均摩擦系數為0.595，這是因為與旋轉半徑3 mm相比，6 mm半徑下的離心力作用效果明顯，造成滑動區域的壓力分布不均勻，導致磨損區域內粗糙度明顯增加。如圖10（b）和圖11（b）所示，半徑增大一倍后表面犁溝狀磨痕增多，在5 N載荷作用下表現更加明顯。而10 N載荷下，盡管存在各區域磨損程度不同，但高載荷下不同區域表面磨損差距會被進一步縮小，同時磨損寬度的增加能夠有效緩解磨屑的堆積，所以10 N載荷下的摩擦系數小于5 N載荷。表面犁溝狀磨損明顯，同時局部區域磨損程度相對更高，因此磨損機制為磨粒磨損。

3 結論

1） 通過磁控濺射技術在CrN表面增加外部Cr層，未濺射Cr層時，表面粗糙度為0.295 μm，濺射Cr層后表面粗糙度為0.242 μm，其中CrN沿（200）方向擇優生長。

2） 濺射外部Cr層在轉速300 r/min，載荷10 N，旋轉半徑3 mm的條件下，平均摩擦系數為0.494;旋轉半徑6 mm時，平均摩擦系數為0.626。與200 r/min下相同載荷相同半徑相比，在高速高載荷下具有更好的摩擦磨損性能。

3） 外部Cr層能夠有效抑制由于離心力導致的磨損區域寬度增加，并進一步增強CrN涂層結構穩定性，而未濺射Cr層的CrN在相同參數下磨損程度更高，且外側磨損較內側更為劇烈。

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