氮化钼基硬质涂层的可控制备及摩擦学性能研究

作     者：龚小红 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄伟九

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：MoN涂层 偏压 气体流量 摩擦磨损 无定型碳 磁控溅射 

摘      要：针对内燃机活塞环表面硬度低,耐磨损性能差的问题,提出了通过制备MoN硬质涂层强化活塞环表面的新思路。采用磁控溅射技术在活塞环基材表面设计制备了MoN基涂层,系统研究了沉积偏压、气体流量比及碳含量对涂层结构、力学性能的影响规律,着重研究了MoN基涂层在柴油和甲醇介质中的摩擦学行为,揭示了工作介质对MoN基涂层的摩擦学行为的作用机制。研究成果为MoN涂层在内燃机中的应用,提供了数据支撑和理论依据。主要研究结果如下:沉积偏压对涂层结构、性能影响显著,偏压由-50V增大至-80V时,涂层相结构由B1-MoN转变为γ-MoN。随着沉积偏压增大,涂层厚度和膜-基结合力先增大后减小,表面粗糙度和硬度先减小后增大。在偏压为-120 V时,涂层硬度高达18.02 GPa,涂层与基底结合良好（253 m N）。在柴油中,随着沉积偏压的增加,涂层摩擦系数先减小后增大,磨损率逐渐降低。沉积偏压为-120 V时,涂层拥摩擦系数最低（0.10）。Raman分析表明,柴油在MoN涂层表面经过摩擦化学反应降解形成了大量无定型碳,从而有效降低了MoN的摩擦系数和磨损率。在甲醇介质中,偏压为-120 V沉积涂层摩擦系数和磨损率较低,分别为0.24和6.03×10mm/N·m。原因是甲醇在MoN涂层表面发生摩擦化学反应降解产生了大量的无定型碳,有效隔绝了MoN涂层和对偶球,从而为涂层/对偶球系统提供了较低的摩擦系数和磨损率。N流量对MoN涂层结构、性能影响显著。低N流量时（≤20sccm）,涂层主要为γ-MoN相结构;而在高N流量时（20sccm）,涂层主要为B1-MoN相结构。随着N流量的增加,涂层膜厚和膜-基结合力先增加后减小,表面粗糙度和硬度先减小后增加。在N流量为10 sccm,涂层硬度达到最大（21.92GPa）。在柴油介质中,低N流量（≤20sccm）沉积涂层表现出良好的摩擦学性能。N流量为10 sccm时涂层的摩擦学性能最优异,摩擦系数和磨损率分别为0.09和6.71×10mm/N·m。Raman结果显示,柴油因发生摩擦化学反应在MoN涂层表面降解形成了大量的碳基膜,使得MoN的摩擦系数和磨损率发生降低。涂层在甲醇介质也表现出良好的摩擦学性能,摩擦系数和磨损率分别为0.15和3.93×10mm/N·m。这是因为甲醇发生摩擦化学反应在MoN涂层表面降解产生了大量的无定型碳,从而使MoN涂层获得了较低的摩擦系数和磨损率。碳含量对MoCN涂层的结构和性能有重要影响。不同CH流量下沉积的MoCN涂层主要由B1-MoN、hcp-Mo（C,N）相、fcc-MoC相和非晶碳组成。随着CH流量增加,碳含量逐渐增多,涂层结晶度逐渐降低,涂层厚度先减小后增加,硬度降低。在CH流量为3 sccm时,MoCN涂层中sp-C含量较高,I/I比值为1.54。在柴油介质中,CH流量为3 sccm制备的MoCN涂层具有最低的摩擦系数和磨损率值,分别为0.13和1.01×10mm/N·m,这归因于涂层中高含量的非晶碳相在摩擦过程中形成了大量的无定型碳,从而有效的降低了涂层的摩擦系数和磨损率。在甲醇中摩擦系数和磨损率分别为0.23,4.94×10mm/N·m。这是由于在摩擦过程中涂层中的非晶碳转变成了大量的无定型碳,从而为MoN涂层提供了较低的摩擦和磨损。