具有纳米调制结构的AlTiN/AlCrN复合涂层在干摩擦条件下的摩擦磨损性能研究

罗文芝，赵容兵，颜茜

具有纳米调制结构的AlTiN/AlCrN复合涂层在干摩擦条件下的摩擦磨损性能研究

罗文芝，赵容兵，颜茜

（长三角台州创新中心，浙江 台州 318000）

研究干摩擦条件下不同AlTiN/AlCrN多层膜纳米调制结构对摩擦磨损行为的影响。将处理过的合金工具钢和单晶硅片作为膜层生长的基底材料，在膜层制备之前，先对基底材料进行预处理，然后使用多靶磁控溅射纳米膜层系统沉积一系列不同调制周期和调制比的AlTiN/AlCrN纳米多层膜。通过控制涂层总厚度不变，在调制比为1︰1时，设计不同的调制周期，择优选出磨损量最小、耐磨性最好的调制周期，并以此为恒定值，进而设计不同调制比的试样。采用X射线衍射仪（XRD）、摩擦磨损试验机分析与表征纳米多层膜的微观结构和性能，研究调制周期和调制比对AlTiN/AlCrN纳米多层膜微观结构和干摩擦条件下摩擦磨损性能的影响。AlTiN/AlCrN纳米多层膜主体均为面心立方结构，且在(111)、(200)和(220)晶面择优取向。调制结构对多层膜的磨损特性影响较大，当调制周期为14.4 nm时，在干摩擦条件下AlTiN/AlCrN纳米多层膜的摩擦磨损量最小；在调制周期恒定为14.4 nm情况下，当调制比为3︰1时，在干摩擦条件下AlTiN/AlCrN纳米多层膜的耐磨性能最好；AlTiN/AlCrN纳米多层膜的磨损机理主要以磨粒磨损和黏附磨损为主。优化的AlTiN/AlCrN多层膜纳米调制结构技术可应用在切削刀具的表面再制造领域，从而延长刀具工作寿命，通过涂层良好的耐磨性能提升设备的加工效率。

AlTiN/AlCrN；调制结构；复合涂层；干摩擦；摩擦磨损

复杂耐磨条件下的挤压或切割工器具包括高摩擦环境和机械应力下的黏附及磨损装置，它们对长期有效寿命有较高要求[1-2]。硬质陶瓷基物理气相沉积（PVD）涂层通常用于改善工器具的耐磨性能、延长其寿命[3-5]。超硬纳米复合涂层能提供非常高的硬度以及较好的韧性和耐磨性，并且在切削操作时，对成品表面加工质量有显著影响[6]。因此，超硬纳米陶瓷涂层如TiN、AlCN、AlTiN、AlCrN、TiSiN等，已被沉积在挤压模具上，用以获得超硬度和耐磨性[7-9]。此外，超硬纳米陶瓷涂层也用作切削刀具涂层，以在切削操作时减小摩擦、降低磨损、延长刀具的使用寿命[10-12]。

TiN是一种由物理气相沉积（PVD）工艺生产的涂层材料，具有广泛应用。向TiN中添加铝可提高涂层的热稳定性，并大大改善AlTiN的性能，使硬度、耐磨性和抗氧化性能胜任800 ℃的工况条件。以上特征表明AlTiN涂层具有高温工业应用前景，可在许多金属和木材的干摩擦加工过程中降低制造成本并提高生产率[13]。因此，近年来，使用基于AlTiN的PVD方法沉积的单层和多层涂层得到了广泛应用。这些涂层可以由不同的PVD方法制作，如磁控溅射、阴极电弧蒸发等。其中，磁控溅射能够沉积具有致密结构和优异黏附性的涂层。

因为AlCrN比AlTiN、TiCN和TiN涂层表现出更好的硬度和耐化学破坏性，近年来，AlCrN也得到了广泛应用。由于在表面形成了Cr2O3和Al2O3的致密氧化物混合物层，所以AlCrN具有高抗氧化性，可以防止可能分解的AlCrN立方相进一步氧化[14-16]。许多研究表明，与TiN和AlTiN涂层相比，AlCrN涂层能提供更好的磨损保护，并显示出更低的摩擦因数。Gant等[17]研究表明，与TiAlN和TiN相比，在环境为空气的干摩擦滑动中，AlCrN的摩擦因数较低，形成的碎屑容易被环境降解。

文献[18-19]发现，AlTiN/AlCrN纳米多层涂层刀具在铣削不锈钢时表现出比单层AlTiN涂层刀具更高的耐磨性。基于此，本文通过控制涂层总厚度不变，在调制比为1︰1时设计了不同的调制周期，并择优选出磨损量最少、耐磨性最好的调制周期，以此为恒定值，进而设计了不同调制比的试样，通过比较同一调制周期、不同调制比试样的性能，研究了具有纳米调制结构的AlTiN/AlCrN复合涂层的摩擦行为，随后优选出最佳调制周期条件下的最佳调制比结构。

1 试验

1.1 试样制备

本试验的CrAl靶（原子数分数分别为40%和60%）和TiAl靶（原子数分数分别为45%和55%）皆采用直径为50.8 mm、纯度为99.99%的合金作为溅射靶材。溅射气体采用高纯度Ar气，反应气体为高纯N2。采用处理过的合金工具钢和单晶硅片作为膜层生长的基底材料。

采用ANELVA SPC 350多靶磁控溅射纳米膜层系统制备膜层。在膜层制备之前，先对基底材料进行预处理：依次使用丙酮和无水乙醇对基底超声清洗10 min；将清洗后的样品置于磁控溅射系统真空小室中；当小室压强抽至0.5 Pa时，充入Ar气至小室压强为20 Pa，辉光清洗30 min。待预处理结束后，将样品传送至溅射室，待背底真空度达到试验要求后，调节试验参数，开始进行试验[20]。在溅射过程中通过控制靶材挡板的开关时间以实现膜层周期结构。

AlTiN/AlCrN多层膜结构示意图如图1所示。可以看到，AlTiN/AlCrN多层膜由AlTiN层和AlCrN层相互交替生长而成，膜层的总厚度为5.8～6.2 μm。当调制比为1︰1时，设计调制周期分别为7.2、9.2、14.4、27.6、52.8 nm的5组试样膜层结构；在优选出最佳调制周期后，以此为恒定值，设计调制比分别为5︰1、4︰1、3︰1、2︰1和1︰1的5组试样膜层结构。

图1 AlTiN/AlCrN多层膜膜层结构示意图

1.2 结构分析测试方法

采用日本理学株式会社Rigaku D/MAX2550VB/ PC型旋转靶X射线衍射仪分析AlTiN/AlCrN多层涂层各薄膜的相组成，用4 （°）/min、功率为18 kW（40 kV，100 mA）的X射线（Cu靶发射）进行扫描，扫描范围为30°～100°。

1.3 干摩擦条件下的摩擦磨损性能试验

干摩擦试样为尺寸15 mm´6 mm´6.8 mm的长方块，以其宽面为摩擦面。在MM-200型环块式摩擦磨损试验机上测试摩擦磨损性能，由于干摩擦使用温度可能超过150 ℃，普通轴承钢硬度将急剧下降，所以摩环材料采用W18Cr4V高温轴承钢，其尺寸如下：外径为40 mm、内径为16 mm、厚度为10 mm。采用的淬火热处理工艺如下：在1 250～1280 ℃下保温40 min，油冷至室温，实测平均硬度为64.8HRC。接着采取回火处理，工艺如下：在220～240 ℃下2.0 h，实测平均硬度为63HRC，置于机油中保存。试验时，预先用金相砂纸打磨摩块磨面和摩环外环面，以确保摩擦面相互平行。在室温下进行摩擦磨损试验，载荷恒定取5 kg，摩环转速分别为200 r/min和400 r/min，测试时间分别为30、60、90 min。

式中：为磨损体积，mm3；为摩块的磨面宽度，mm；为摩环外径，mm；为磨槽宽度，mm；为磨损率，mm3/(m×N)；为外加载荷，N；为滑动距离，m。

在观察磨损表面的微观组织形貌时，采用沿摩擦方向的磨损试样，并且利用线切割技术沿垂直于磨面的纵截面裁剪磨损试样，再进行研磨抛光，用质量分数为0.8%的氢氟酸腐蚀，之后进行扫描电镜观察。

2 结果及讨论

2.1 X射线衍射图谱分析

AlTiN/AlCrN复合涂层的XRD衍射图谱如图2所示。扫描速率维持在2 （°）/min，扫描范围为30°～ 100°。由图2可知，该复合涂层含有纯相的TiN、CrN、AlN和Ti3Al2N2。AlTiN/AlCrN纳米多层膜主体均为面心立方结构，在(111)、(200)和(220)晶面呈现择优取向。其取向不随调制周期和调制比而发生改变。衍射峰的强度随着层厚的增大而逐渐减小，这表明晶粒尺寸逐渐减小及优选取向逐渐减弱。

由图2可知，在AlCrN/TiAlN涂层中，TiN(111)平面具有主导取向。TiN峰表明涂层具有B1-NaCl晶体结构。图2中的尖锐峰表明AlCrN/AlTiN涂层具有高结晶度。图2还显示，涂层的主要含量为AlN，其次是TiN和CrN。因为没有明显的峰加宽现象，可以认为涂层的晶粒是纳米晶体。在形成涂层的初始阶段，Al、Ti和Cr以元素形式存在；随着溅射工艺的进行，Ti颗粒嵌入Al中形成复合颗粒。衍射图谱显示，AlN为纤锌矿结构，即B4密排六方相，CrN为B1-NaCl晶体结构。经计算可知，平均晶粒尺寸为30～90 nm。

图2 AlTiN/AlCrN复合涂层的XRD衍射图谱

由图2可知，涂层中有微量的AlTiN存在，其结构为密排六方（hcp）Ti3Al2N2，分别在(200)和(114)晶面。由于铝原子的半径较小，而钛原子半径相对较大，二者相互取代可使晶格常数发生改变。其中，钛的原子半径（0.014 6nm）大于铝的原子半径（0.014 3nm）。随着铝含量的上升，晶体结构畸变加剧，晶格常数降低。

2.2 干摩擦条件下的摩擦磨损性能

2.2.1 纳米调制结构对摩擦磨损率的影响

当涂层总厚度不变、调制比为1︰1时，不同调制周期下的AlTiN/AlCrN复合涂层多层薄膜的磨损率如图3所示。由图3a可知，当摩环转速为200 r/min时，调制周期分别为7.2、9.2、14.4、27.6、52.8 nm的5组试样磨损率的变化趋势大致一致：随着滑动时间的延长，磨损率在30～60 min时明显增大，在60～90时缓慢增大；当调制周期从7.2 nm逐渐增大到14.4 nm时，磨损量减小；当调制周期从14.4 nm逐渐增大到52.8 nm时，磨损量增大；当调制周期为52.8 nm时，平均磨损率最大；当调制周期为14.4 nm时，磨损量最小，耐磨性最好。通常多层薄膜的摩擦行为都会经历跑合阶段和稳定磨损阶段。在30～60 min的跑合阶段，磨损率迅速增大，薄膜的磨损率起伏较大，这是由于当摩环与样品开始磨合时，两者接触面上的非平整区域接触会造成摩擦阻力快速加大。随着摩擦阶段的持续进行，摩环的接触表面逐渐平滑且涂层在干摩擦升温后发生氧化，部分氧化产物也有利于降低摩擦力[21]。在60～90 min时，摩擦过程进入稳定阶段，磨损率波动较小，会维持在一个稳定值。由图3b可以看出，当摩环转速为400 r/min 时，除因为转速快、磨损率略高外，其变化趋势与图3a中的趋势一致。

图3 不同转速下AlTiN/AlCrN复合涂层磨损率的变化曲线

以优选出的最佳调制周期14.4 nm为恒定值，当摩环转速为200 r/min和400 r/min时，不同调制比下AlTiN/AlCrN复合涂层磨损率变化曲线如图4所示。保持每层AlTiN/AlCrN厚度之和即调制周期不变，当调制比为5︰1、4︰1、3︰1、2︰1和1︰1时，纳米多层结构部分的厚度在6.0 μm左右。在200 r/min低速（见图4a）下，随着调制比（AlTiN/AlCrN）从3︰1、4︰1增大到5︰1，多层膜的磨损量增大；随着调制比（AlTiN/AlCrN）从3︰1、2︰1减小到1︰1，多层膜的磨损量增大且较为明显。在400 r/min高速（见图4b）下，5个试样的磨损率变化趋势与200 r/min时的大致一致，在调制比3︰1时出现了磨损量变化的最小极值点，这说明调制比会明显影响多层膜的磨损寿命。随摩擦过程的进行（滑动时间增加），磨损率波动减小，并逐渐维持在一个稳定值。

图4 不同转速下AlTiN/AlCrN复合涂层磨损率变化曲线

通过试验发现，调制周期的改变影响了多层薄膜磨损率，随着纳米调制周期的减小，层间界面数量增多，大量交替界面层对位错产生钉扎效应，当两调制层具有不同剪切模量时，位错具有不同的线能量密度[22]。在AlTiN/AlCrN纳米多层膜的沉积过程中，当位错穿过AlTiN层与AlCrN层界面时将受到多层膜界面对其施加的镜像力作用，阻碍了位错的运动，引起了薄膜强化[23]。这表明多层膜的强化程度在一定范围内与其调制周期的大小成反比，调制周期越小，其界面位错的钉扎效应越强，多层膜的硬度越大，涂层的磨损率越低。但当AlTiN/AlCrN层的厚度低于一定阈值时，镜像力不足以阻碍位错运动，使其能穿透AlTiN/AlCrN层生长，调制层的耐磨性随之降低，涂层的磨损率逐渐增大。当调制比为3︰1、调制周期为14.4 nm时，即为相应阈值。

调制周期以及调制比会影响晶粒和位错的滑移与生长，合适的空间以及清晰的AlTiN/AlCrN界面可以阻碍位错的滑移与晶粒的长大，而这种多层结构引起的交变应变力场和弹性模量差异对硬度的提高和应力的释放也有一定贡献[24]。所以调制周期和调制比均存在一个阈值，在最佳的试验条件下，采用多靶磁控溅射的方法，通过控制多层膜调制周期、调制比可以制备出耐磨性能优异的AlTiN/AlCrN多层膜。

2.2.2 纳米调制结构对表面磨损表征的影响

等调制比（调制比1︰1）、不同调制周期条件下制备的AlTiN/AlCrN多层薄膜磨痕形貌如图5所示。经过90 min磨损试验后，粒径大的磨屑与母体分离后进入摩擦副接触面间隔，被研碎为小粒径磨料，随后在摩擦过程中经挤压成为犁沟。摩擦副表层也是高低不一的，摩擦环与纳米多层膜的硬度相差不大，在摩擦时，凸起部分会划伤纳米多层膜表面，产生与摩擦方向平行的划槽，但划槽的形态却因摩擦环凹凸不平而改变，如图5所示，其粗细、深浅皆不完全相同。

从图5可以看出，试样经0.8%（质量分数）氢氟酸腐蚀后，其表面磨损都由两类区域构成：浅色粗糙区和黑灰色光滑区。在光滑区内，分布着大量平行细线，即磨损沟槽，并与摩擦方向平行，说明纳米多层膜表面的磨损属于磨粒磨损机制。粗糙区凹凸不平，它是由已剥落的纳米多层膜生成的，因此，在扫描电镜下显示为琥珀色，是磨损最严重的位置，这表明还有黏着磨损参与进来。倘若拿粗糙区的面积比来大致代表该非晶涂层摩擦试样的磨损等级，从图5可辨识出随着调制周期的增大，磨损率先变小后增大，当调制周期为14.4 nm、调制比为1︰1时，磨痕较平整，浅色粗糙区较少，这与图4中平均摩擦因数小、磨损率小的结果相符。当调制周期为7.2、9.2、27.6、52.8 nm时，磨痕较宽，形貌粗糙，磨屑颗粒相对较大，与调制周期为14.4 nm的薄膜相比，粗糙区更宽，磨损机理以磨粒磨损和黏附磨损为主。

等调制周期（调制周期14.4 nm）、不同调制比条件下制备的AlTiN/AlCrN多层薄膜磨痕形貌如图6所示。当调制周期为14.4 nm、调制比为3︰1时，经90 min磨损后，多层薄膜的磨面划槽细而浅，几乎被黑灰色光滑区占据，未见明显浅色粗糙区，见图6a。当调制周期为14.4 nm、调制比为5︰1时，经90 min磨损后，多层薄膜的磨面划槽深且宽，产生了沟槽磨损，除少部分光滑区外，浅色粗糙区较多，见图6b。对比图5c可知，与调制周期为14.4 nm、调制比为1︰1的多层薄相比，显然调制周期为14.4 nm、调制比为3︰1的多层薄膜的耐磨性能更好，这与图3和图4的试验结果一致。

图5 等调制比不同调制周期条件下制备的AlTiN/AlCrN多层薄膜磨痕形貌图

图6 等调制周期不同调制比条件下制备的AlTiN/AlCrN多层薄膜磨痕形貌图

3 结论

1）用多靶磁控溅射纳米膜层系统在合金工具钢基体上制备了调制周期分别为7.2、9.2、14.4、27.6、52.8 nm（调制比1︰1）的5组试样及调制比分别为5︰1、4︰1、3︰1、2︰1和1︰1（调制周期为14.4 nm）的5组试样以及纳米多层结构涂层厚度为5.8～6.2 μm的AlTiN/AlCrN纳米多层膜。XRD分析结果表明，该多层膜结构清晰，AlTiN/AlCrN纳米多层膜主体均为面心立方结构，在(111)、(200)和(220)晶面呈现择优取向。

2）通过摩擦磨损试验机分析与表征纳米多层膜微观结构和性能，研究调制周期和调制比对AlTiN/AlCrN纳米多层膜微观结构和干摩擦条件下摩擦磨损性能的影响，发现调制结构对多层膜磨损特性的影响较大，在恒定调制比1︰1条件下，当调制周期为14.4 nm时，AlTiN/AlCrN纳米多层膜在干摩擦条件下的摩擦磨损量最小；在调制周期恒定为14.4 nm情况下，当调制比为3︰1时，AlTiN/AlCrN纳米多层膜在干摩擦条件下的耐磨性能最好。AlTiN/AlCrN纳米多层膜的磨损机理主要是磨粒磨损和黏附磨损。

3）该技术可应用在切削刀具的表面再制造领域，从而延长刀具工作寿命，通过涂层良好的耐磨性能提升设备的加工效率。

[1] SORTINO M, BELFIO S, TOTIS G, et al. Innovative Tool Coatings for Increasing Tool Life in Milling Nickel-coated Nickel-silver Alloy[J]. Procedia Engineering, 2015, 100(1): 946-952.

[2] DENG Y, CHEN W, LI B, et al. Physical Vapor Deposition Technology for Coated Cutting Tools: a Review[J]. Ceramics International, 2020, 46(11): 18373-18390.

[3] WALCZAK M, PASIERBIEWICZ K, SZALA M. Effect of Ti6Al4V Substrate Manufacturing Technology on the Properties of PVD Nitride Coatings[J]. Acta Physica Polonica A, 2022, 142(6): 723-732.

[4] KAYA E, ULUTAN M. Tribomechanical and Microstructural Properties of Cathodic Arc-deposited Ternary Nitride Coatings[J]. Ceramics International, 2022, 48(15): 21346-21357.

[5] KOSEKI S, INOUE K, SEKIYA K, et al. Wear Mechanisms of PVD-coated Cutting Tools during Continuous Turning of Ti-6Al-4V Alloy[J]. Precision Engineering, 2017, 47: 434-444.

[6] SHUGUROV A R, KUZMINOV E D, GARANIN Y A. Structure and Mechanical Properties of Ti-Al-Ta-N Coatings Deposited by Direct Current and Middle-Frequency Magnetron Sputtering[J]. Metals, 2023, 13(3): 512.

[7] MOMENI S, TILLMANN W. Investigation of the Self-healing Sliding Wear Characteristics of Niti-based PVD Coatings on Tool Steel[J]. Wear, 2016, 368: 53-59.

[8] PAIVA J M, FOX-RABINOVICH G, JUNIOR E L, et al. Tribological and Wear Performance of Composite PVD Hard Coatings Deposited on Aluminum Die Casting Tool[J]. Materials 2018, 11(3): 358.

[9] WANG T, ZHANG J, LI Y, et al. Self-lubricating TiN/MoN and TiAlN/MoN Nano-multilayer Coatings for Drilling of Austenitic Stainless Steel[J]. Ceramics International, 2019, 45(18): 24248-24253.

[10] TILLMANN W, VOGLI E, MOMENI S. Mechanical and Tribological Properties of Ti/TiAlN Duplex Coatings on High and Low Alloy Tool Steels[J]. Vacuum, 2009, 84(3): 387-392.

[11] SHUAI J, ZUO X, WANG Z, et al. Comparative Study on Crack Resistance of TiAlN Monolithic and Ti/TiAlN Multilayer Coatings[J]. Ceramics International, 2020, 46(5): 6672-6681.

[12] XU Y X, CHEN L, PEI F, et al. Structure and Thermal Properties of TiAlN/CrN Multilayered Coatings with Various Modulation Ratios[J]. Surface and Coatings Technology, 2016, 304: 512-518.

[13] CHENW L, LIN Y, ZHENG J, et al．Preparation and Characterization of CrAlN/TiAlSiN Nano-multilayers by Cathodic Vacuum Arc[J]. Surface and Coatings Technology, 2015, 265: 205-211.

[14] BANAKH O, SCHMID P E, SANJINES R, et al. High Temperature Oxidation Resistance of Cr1-AlN Thin Films Deposited by Reactive Magnetron Sputtering[J]. Surface and Coating Technology, 2003, 163/164: 57-61.

[15] 车众元, 付志强. Al含量对磁控溅射AlCrN涂层的影响研究进展[J]. 广东化工, 2020, 47(14): 78-80. CHE Zhong-yuan, FU Zhi-qiang. Review on Influence of Al Content on AlCrN Coating by Magnetron Sputtering[J]. Guangdong Chem, 2020, 47(14): 78-80.

[16] LEI Z, LIU Y, MA F, et al. Oxidation Resistance of TiAlN/ZrN Multilayer Coatings[J]. Vacuum, 2016, 127: 22-29.

[17] GANT A J, GEE M G, ORKNEY L P. The Wear and Friction Behaviour of Engineering Coatings in Ambient Air and Dry Nitrogen[J]. Wear, 2011, 271(9/10): 2164- 2175.

[18] LIEW W Y H. Low-speed Milling of Stainless Steel with TiAlN Single-layer and TiAlN/AlCrN Nano-multi­layer Coated Carbide Tools under Different Lubrication Conditions[J]. Wear, 2010, 269(7/8): 617-631.

[19] WANG L, WANG M, CHEN H. Corrosion Mechanism Investigation of TiAlN/CrN Superlattice Coating by Multi-Arc Ion Plating in 3.5wt% NaCl Solution[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 391: 125660.

[20] 李大洋, 娄长胜, 张罡. CrAlN/VN多层膜调制周期对膜层性能的影响[J]. 沈阳理工大学学报, 2017, 36(4): 39-43. LI Da-yang, LOU Chang-sheng, ZHANG Gang. Effect of CrAlN/VN Layer Modulation Period on Coating’s Performance[J]. Journal of Shenyang Ligong University, 2017, 36(4): 39-43.

[21] 刘爱华. PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损特性及机理研究[D]. 济南: 山东大学, 2012. LIU Ai-hua. Friction and Wear Behaviors of PVD Nitride Coatings at Elevated Temperatures[D]. Jinan: Shandong University, 2012.

[22] 韩瑞路, 阎红娟. Ti-Si-N纳米多层膜的研究进展[J]. 材料导报, 2019, 33(S2): 169-174. HAN Rui-lu, YAN Hong-juan. Current Research Status of Ti-Si-N Nano-multilayer Films[J]. Materials Reports, 2019, 33(S2): 169-174.

[23] 阎红娟, 田沁叶, 刘峰斌, 等. 调制周期对TaN/TiSiN纳米多层膜微观结构与性能影响[J]. 热喷涂技术, 2019, 11(4): 25-30. YAN Hong-juan, TIAN Qin-ye, LIU Feng-bin, et al. Microstructure and Properties of TaN/TiSiN with Different Modulation Period[J]. Thermal Spray Technology, 2019, 11(4): 25-30.

[24] 王少峰. Ti-Si多元多层复合DLC薄膜制备及性能研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2019. WANG Shao-feng. Study on Preparation and Properties of Ti-Si Multi Element Multilayer DLC Coating[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2019.

Friction and Wear Properties of AlTiN/AlCrN Composite Coatings with Nano Modulation Structure under Dry Friction Conditions

LUO Wen-zhi, ZHAO Rong-bing, YAN Qian

(Taizhou Innovation Center, Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University, Zhejiang Taizhou 318000, China)

The work aims to investigate the effect of different AlTiN/AlCrN multilayer nano modulation structures on their friction and wear behavior under dry friction conditions. The treated alloy tool steel and monocrystalline silicon were used as the substrate materials for film growth. Before the film was prepared, the substrate materials were pretreated, and then a series of AlTiN/AlCrN nano multilayers with different modulation periods and modulation ratios were deposited with a multi-target magnetron sputtering nano film system; by controlling the total thickness of the coating to remain unchanged, different modulation periods were designed at a modulation ratio of 1:1. After selecting the modulation period with the least wear loss and the best wear resistance, it was used as a constant value, and then different modulation ratio samples were designed; the microstructure and properties of nano multilayers were analyzed and characterized with a diffractometer (XRD) and a friction and wear tester. The effects of modulation period and modulation ratio on the microstructure of AlTiN/AlCrN nano multilayers and the friction and wear properties under dry friction conditions were studied. The experimental results showed that the main body of AlTiN/AlCrN nano multilayer films was a face centered cubic structure, with preferred orientation on the (111), (200), and (220) crystal planes of this structure. The modulation structure had a significant impact on the wear characteristics of multilayer films. When the modulation period was 14.4 nm, the friction and wear amount of AlTiN/AlCrN nano multilayer films was the smallest under dry friction conditions; when the modulation period was constant at 14.4 nm and the modulation ratio was 3:1, the wear resistance of AlTiN/AlCrN nano multilayer films was the best under dry friction conditions; the wear mechanism of AlTiN/AlCrN nano multilayer films was mainly abrasive wear and adhesive wear. In conclusion, the optimized AlTiN/AlCrN multilayer nano modulation structure technology can be applied in surface remanufacturing of cutting tools, thereby extending the tool's service life and improving equipment processing efficiency through its good wear resistance.

AlTiN/AlCrN; modulation structure; composite coating;dry friction; frictional wear

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.015

TH117

A

1674-6457(2023)10-0129-07

2023-08-03

2023-08-03

台州市科技计划（22gya20）

Taizhou Science and Technology Plan Project Funding Number (22gya20)

罗文芝，赵容兵，颜茜. 具有纳米调制结构的AlTiN/AlCrN复合涂层在干摩擦条件下的摩擦磨损性能研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 129-135.

LUO Wen-zhi, ZHAO Rong-bing, YAN Qian.Friction and Wear Properties of AlTiN/AlCrN Composite Coatings with Nano Modulation Structure under Dry Friction Conditions[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 129-135.

责任编辑：蒋红晨