钼基固体润滑复合薄膜的制备与性能研究

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在机械加工过程中,由于刀具与工件间的摩擦,特别是高速切削时,摩擦副快速上升的温度,极易短时间内导致刀具失效。过渡金属氮化物作为切削刀具的保护层,例如CrN薄膜和TiN薄膜,在当今工业领域已经得到了广泛的应用。这些薄膜的主要特点是硬度高、摩擦系数低和好的耐腐蚀性。近年来,氮化钼(Mo2N)薄膜因硬度高、摩擦系数低、与钢的附着力好而受到了广泛的关注。为了进一步降低Mo2N的摩擦系数,提高硬度,本文主要研究了Mo2N/MoS2、Mo-Al-C-N两种钼基复合薄膜的制备、表征及性能,通过场发射电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)对薄膜的成分、结构和形貌表征,通过滑动实验(MS-T3000摩擦磨损试验仪)研究薄膜的平均摩擦系数;采用纳米压痕仪测试薄膜的硬度,并探讨薄膜的结构与性能的关系。
  在溅射气压0.8Pa条件下通过直流磁控溅射法,制备MoN2/MoS2固体复合薄膜。同时在溅射气压相同的条件下制备了MoS2和Mo2N薄膜用以对比实验。对薄膜的结构进行表征并测试性能,结果表明:MoS2/Mo2N复合薄膜表面没有孔洞,结构致密,质量较好,呈现致密的颗粒状外貌;MoS2/Mo2N复合薄膜的摩擦系数低于纯Mo2N薄膜的摩擦系数,但高于纯MoS2薄膜的摩擦系数。MoS2/Mo2N复合薄膜的硬度低于Mo2N薄膜的硬度,但是其硬度远高于MoS2薄膜硬度,说明Mo2N的添加有效的改进了纯MoS2的承载性。
  在溅射气压为0.8Pa的条件下通过直流磁控溅射制备四种不同碳含量的Mo-Al-C-N复合薄膜。研究碳含量对薄膜的表面形貌、成分、相组成和硬度的影响。结果表明。含碳量分别0at.%、5at.%、9at.%和16at.%的四元Mo-Al-C-N薄膜表面都是分布着大小不一的相似的圆形纳米粒子。不同的是随着碳含量的增加,薄膜中的纳米粒子分布逐渐趋于均匀,颗粒的形状逐渐转变为多边形。薄膜的主要组成成分是面心立方结构的Mo2N晶体。随着碳含量的增加,薄膜的衍射峰逐渐向着低角度移动;硬度先增加,在碳含量为9at.%达到最大26GPa,在碳含量增加到16at.%时硬度下降到21GPa。与纯Mo2N比较,适量的碳含量可以增加薄膜的承载力。
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