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CrAlN/TiSiN多层涂层的力学性能和高温摩擦学性能研究

在传统的机械加工过程中，切削液起到润滑和冷却的作用。然而，切削液的使用会引起环境的污染和工作人员健康的问题。近年来，干式切削成为研究的热点，但切削温度的升高会造成刀具快速失效。硬质氮化物涂层具有优异的机械性能和耐磨性，作为刀具保护层具有良好的应用前景。涂层的结构设计对其力学性能、摩擦学性能和高温氧化性能非常重要。本文采用多弧离子镀技术在高速钢表面沉积了 TiSiN、CrAlN/TiSiN双层和CrAlN/TiSiN多层涂层。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、纳米压痕仪、纳米划痕仪、有限元法、透射电子显微镜（TEM）和高温摩擦试验机（UMT）系统地研究了涂层的微观结构、力学性能和高温摩擦学性能。结果表明，CrAlN/TiSiN多层涂层与其它两种涂层相比，具有更致密的微观结构。多层结构能够降低涂层的剪切应力来提高涂层与基材的结合强度。在300 °C时，三种涂层的摩擦系数波动很大，而CrAlN/TiSiN多层涂层具有优异的耐磨性，磨损率约为1.25 × 10^-6 mm³/Nm。在500 °C时，三种涂层的表面生成了TiO₂氧化层，起到了润滑的作用，表现出稳定的摩擦系数。CrAlN/TiSiN多层涂层的表面形成Al₂O₃氧化物层，表现优异的耐磨性，磨损率约为5.43 × 10^-7 mm³/Nm。