Mo和C含量对AlCrN薄膜组织和性能的影响

作者：施杰; 陈云; 刘浩; 康建军; 李潇阳; 张丽; 鲜广; 杜昊^*

来源：中国表面工程, 2022, 35(06): 286-296.

DOI：10.11933/j.issn.1007-9289.20220411004

• AlCr(MoC)N薄膜
• 微观结构
• 硬度
• 残余应力
• 摩擦磨损性能

AlCrN薄膜因其具有优异的力学性能广泛应用于金属切削领域，Mo和C的掺杂对提高AlCrN薄膜的硬度和耐磨性有理论上的可行性，然而Mo和C元素的共同作用对AlCrN薄膜的组织结构、力学性能及摩擦学性能的影响仍须进一步探索。使用中频反应磁控溅射和热丝弧离子镀复合薄膜设备在硬质合金和Si(100)表面制备AlCr(MoC)N薄膜。使用SEM、XRD和EDS分析薄膜的微观形貌、物相组成和元素含量，采用纳米压痕测试仪、摩擦磨损试验仪和3D轮廓仪表征薄膜的硬度、耐磨损性并观察薄膜的磨痕形貌。结果表明：随着MoC镶嵌靶(Mo和C等面积)电流的增加，Mo和C元素含量上升，当MoC靶电流为2.5A时，薄膜中Mo和C的含量分别升至约14.6at.%和9.1at.%。与AlCrN薄膜相比，AlCrMoCN薄膜中出现β-Mo2N和γ-Mo2N相，c-CrN相的生长从高表面能(111)面转变为低表面能(200)面。随着Mo和C元素含量的增加，薄膜硬度先增加后减小，靶电流为1A时薄膜硬度达到最大值35±0.5GPa，在MoC靶电流为2.5A时，薄膜出现可由SEM观察到的纳米多层结构，此时AlCrMoCN薄膜硬度下降至约23±1GPa。随着Mo和C元素含量的增加，薄膜的残余压应力由4.8±1GPa减小至2.2±0.1GPa。与无Mo和C薄膜相比，Mo和C的掺杂有利于降低AlCrN薄膜的摩擦因数，Mo和C含量增高，薄膜的摩擦因数大小呈现相近的趋势。AlCrMoCN薄膜在与Si3N4对偶球对磨时获得相较于Al2O3对偶球更低的磨损率。对比分析AlCrN薄膜在不同Mo和C含量下的力学性能及摩擦学性能，揭示Mo和C的作用机理，可对其实际应用场景提供指导。

• 单位
  贵州大学; 成都工具研究所有限公司; 四川大学