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第41卷第3期2021年3月
真空科学与技术学报
CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY
QT600材料表面离子镀AlCrN 涂层的
耐磨性能研究
耿浩然'赵毅红"周晓进2余晶晶'龚孜宇'王自力：何玉龙I 陈荣发'李子亮'
(1.扬州大学机械工程学院扬州225127；2.扬州攀峰网络科技有限公司扬州225000；
3.上海汉中精机股份有限公司 上海201501 )
Surface Modiflcation of QT600 Rotor with Multi Arcion Plated AlCrN Coatings
GENG Haoran 1 ,ZHAO Yihong 1 * ,ZHOU Xiaojin 2,YU Jingjing 3 ,GONG Ziyu',
WANG Zili 1 ,HE Yulong 1 ,CHEN Rongfa' ,LI Ziliang 3
(1. School of Mechanical Engineering , Yangzhou University, Yangzhou 225127 China
mil
2. Yangzhou Panfeng Network Technology Co. , Ltd. , Yangzhou , Yangzhou 225000, China ；
3. Shanghai Hanzhong Fine Machinery Co. ,Ltd. ,Shanghai 201501 , China )
按时的
Abstract The surfaces of QT600 rotor , of an air compressor , were modified and reconditioned with AlCrN
coatings synthesized by multi arc ion plating. The influence of the AlCrN coatings on the microstructures , phas and tribological properties , including the hardness , wear resistance and friction coefficient , was investigated with X-ray diffraction , scanning electron microscopy and conventional mechanical probes. The results show that the AlCrN coat
ings ,mainly comprising AlCrN , CrN , AIN phad grains and deposited under the optimized conditions significantly improved the tribological behavior of QT600 rotor surface , especially the friction coefficient and wear resistance. The
adhesive wear , at a load of 2 N and abrasive wear , at a load of 8 N , were found to account for the wear mechanisms ,
respectively.
Keywords Air compressor rotor,Multi arc ion plating,AlCrN coating ,Friction and wear properties
摘要 采用多弧离子镀膜的方法在空压机转子QT600表面制备AlCrN 涂层，详细研究干滑动摩擦条件下，不同载荷对涂
层和基体的滑动摩擦学特性。研究结果表明：转子基体的磨损形式主要为黏着与磨粒磨损，载荷越高，磨粒磨损越严重；A1-
CrN 涂层在2N 载荷下的磨损形式主要为黏着磨损，在8N 载荷下主要为黏着与磨粒磨损。
关键词空压机转子多弧离子镀AlCrN 涂层摩擦磨损性能
中图分类号:TG174.444 文献标识码：A
doi : 10.13922/j. cnki. cjvst. 202006036
随着空压机应用范围的扩大，对转子的硬度和
耐磨性能要求越来越高［，"2］o AlCrN 涂层作为多组 元氮化物硬质涂层，具有较高的硬度和良好的耐磨
损性能，被广泛应用在工程结构件的表面保护
±t3-H1o 国内外学者采用高能束方法对转子金属
表面进行改性(重熔，熔融，合金化)，提高其耐磨性
能的研究较多，2-'7］，但采用离子镀膜的方法在金属 材料表面沉积涂层，研究其耐磨性的学者比较少，为
此本文对基体材料为QT600的空压机转子表面离 子镀沉积AlCrN 涂层，详细研究涂层的摩擦磨损 性能。
distance是什么意思收稿日期:2020-06-23
基金项目:2019年扬州市级计划-市校合作专项(YZ2019129)；2019年度扬州高新区创享高新创新人才项目；扬州市和江区面上竞争性项目
(HJM2019006)
* 联系人：Tel : 150****8858 ； E-mail : yihongzhao99@ sina. com
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真空科学与技术学报第41卷
1试验部分
1. 1试验材料制备
采用PVD1050多弧离子镀镀膜机在QT600转
子基体表面上制备AlCrN 涂层，选用Cr 、Al 高纯单
covert质靶材，工作和反应气体选纯度99. 99% Ar 和％, 本底压强4.6 x IO'3 Pa，偏压75 V, Ar 流量130
mL/min(标准状态)，％流量780 miymin，溅射时基
体温度350七，高柱电流160 A，弧电流135 A，镀膜 时间3 h 。
1.2试验方法
采用S4800 H 场发射扫描电镜(SEM )观察Al
CrN 涂层微观形貌并用电镜自带能谱仪(EDS)分析
元素组成分布；采用D8-ADVANCE 型X-ray 衍射仪
(XRD)分析AlCrN 涂层相结构；采用德国BRUX 公
司摩擦磨损试验机进行摩擦试验，摩擦副为5 mm 直径GCrl5钢球，滑动速度10 m/min ；采用德国
BRUX 公司三维表面形貌仪分析三维磨痕形貌，
2结果与讨论
2.1显微组织与元素分布
图1为AlCrN 涂层显微形貌与EDS 图，图1(a)
为10000倍下AlCrN 涂层形貌图，图中涂层表面颗 粒细小、组织致密，图1 ( b )为AlCrN 涂层EDS 图,
涂层表面主要为Cr 、Al,N 和Fe 四种元素，Al 元素 含量略高，有助于提高涂层耐磨性能。
15001000
500Al
■ Nfaintly
Cr I
0丄
02elemengt wt%at%
N 13.4629.46Al 37,2742.33Cr 29.0417.11Fe 20.2211.10
Cr
Fe
6810
(a) Surface morphology of AlCrN coating
E/keV
(a) Surface morphology of AlCrN coating
图1 AlCrN 涂层显微形貌与EDU 图
Fig. I SEM image and EDS spectrum of the AlCrN coating
图2为AlCrN 涂层截面形貌与成分线扫描图， 图2(a)为10000倍下AlCrN 涂层截面形貌，涂层厚 度约为2 pn，分布均匀结合紧密。图2(b)为AlCrN
pswfashion jewelry涂层截面成分线扫描图，在0 ~ 2(jLin 之间，Cr 、Al 、N
元素与靶材含量基本一致，表明涂层成分均匀。
2.2相结构
图3为AlCrN 涂层XR1)图。可以看岀涂层表 面由AlCrN 相、CrN 相和A1N 相组成，主峰为AlCrN
(a) ction morphology of AlCrN coating
0()
265(()(
5(19136 二 U n.p e/A
二 S U 3U 一
0.00 0.28 0.58 0.84 1.12 1.40 1.68 1.98 2.24 2.52 2.81 3.09 3.37 3.65
ction depth/pm
(b) ction composition scanning of AlCrN coating
图2 AlCrN 涂层截面形貌与成分线扫描图
Fig.2 SEM cross ctional images and composition scan of the AlCrN coati
ng
第3期耿浩然等:QT600材料表而离子镀AlCrN涂层的耐磨性能研究255
相和CrN相
A1N相和CrN相的相结构均为面心立方(fee)，而AlCrN相中A1取代r CrN相中Cr的位子，导致极小部分AlCrN相到达相转变临界点，其相结构由面心立方(fee)转变为密排六方(hep)，因此,AlCrN 相的相结构主要为面心立方(fee)，有少量密排六方(hep)o
Fig.3XRD spectrum of the AlCrN coating 2.3摩擦磨损机理
图4为三种载荷下空压机转子QT600基体和A1-C.N涂层的磨痕形貌。由图4(a)、图4(c)和图4(e)可以看出,QT600基体在2N载荷下存在磨痕，并伴有少量的黏着撕裂，沟槽内附着有磨屑，随着载荷增大，磨痕加宽，磨屑增多，撕裂严重。由图4(b)、图4 (d)和图4(f)可以看出,AlCrN涂层在2N载荷下，涂层磨痕的周围几乎没有磨屑，磨痕的宽度和深度较小，没有犁沟出现。载荷增加到5N，部分涂层出现了轻微的黏着磨损且有一定的剥落，但相较于基体，磨痕较窄。在8N载荷下，磨痕相较于5N时进一步变宽，剥落现象加剧，但相较于基体，磨痕的宽度较窄，且磨损颗粒物较少。由此可见，随着载荷的增加，两者的磨痕宽度、深度均有所增加。在载荷作用下，基体磨损表面出现塑性变形和剥落。AlCrN涂层表面磨损较为轻微，三种载荷下均没有大面积的塑形变形和剥落，磨痕深度和宽度较基体都较小。虽然在8N 载荷下AlCrN涂层有一定程度剥落，但磨痕深度和宽度相对基体仍较小，表明AlCr
N涂层在高载荷下仍可以具有较好的耐摩擦磨损性能
⑻QT600matrix2N(b)AlCrN coating2N(c)QT600matrix5N
(d)AlCrN coating5N(e)QT600matrix8N (f)AlCrN coating8N
图4三种载荷下QT600基体和AlCrN涂层的磨痕形貌
Fig.4SEM images of the wear tracks
图5为三种载荷下空压机转子QT600基体与AlCrN涂层的磨痕三维形貌。QT600基体在三种载荷下的磨痕高度差分别约为7.984J3.275和14.401即】，涂层的磨痕高度差分别约为6.617、10.649和12.825“m。由此可见，两者的磨痕深度均随载荷的增大而升高，相同条件基体的磨痕深度高于涂层的磨痕深度。
图6为空压机转子QT600基体与AlCrN涂层在三种载荷下的比磨损率。可以看岀在载荷分别为2、5和8N时,AlCrN涂层的比磨损率分别是基体
的
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真空科学与技术学报
第41卷
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(b) AlCrN coating 2 N
(e) QT600 matrix 8 N 0 *1) 1 MA 1 •*» 2 5 mm
(d) AlCrN coating 5 N
0 63J 1 266 ! 899 2 S32 mm
(f ) AlCrN coating 8 N
图5三种载荷下AlCrN 涂层的磨痕三维形貌
Fig.5 3D images of the wear tracks
10. 1% J7. 8%和36. 6%。由此可见,AlCrN 涂层的
比磨损率随着载荷的增加而上升.涂层对载荷较敏
感，而QT600基体对载荷没有明显表现，载荷对其 磨损率影响较小。推测造成这一现象的原因为：在 高载荷下，基体受力发生弹性变形，涂层随之发生变
形，但AlCrN 涂层属于陶瓷材料，相较于金属材料, 本身的韧性较差，容易碎裂，从而导致涂层对载荷具
有高敏感性网。
图7为空压机转子QT600基体和AlCrN 涂层 在三种载荷下摩擦系数随时间的变化曲线，可以看
出，QT600基体在三种载荷下的平均摩擦系数依次
为0. 59,0. 65和0.72，随载荷增加呈现上升趋势。
AlCrN 涂层的平均摩擦系数为0. 57、0. 59和0. 66,
也呈上升趋势，但摩擦系数较为平稳。同时相同载
N E J E E
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I I AlCrN ■■ QT600
［种载荷下QT600基体和AlCrN 涂层的比磨损率
Wear rates of the substrate and the AlCrN
coating
第3期耿浩然等:QT600材料表面离子镀AlCrN涂层的耐磨性能研究257荷下AlCrN涂层均比QT600基体的摩擦系数小:
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(a)QT600matrix
0.2•
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0100200300400500600
time/s
(b)QT600matrix
图7QT600和AlCrN涂层三种载荷下摩擦系数随时间的变化曲线
Fig.7Friction coefficient of the substrate and the AlCrN coati n g
图8为AlCrN涂层摩擦后XRD图。由图可知，摩擦后AlCrN涂层表面生成了ALOj氧化膜。氧化膜熔点高，
与磨痕表面结合牢固，起到固体润滑的作用，从而导致相同载荷下AlCrN涂层均比QT600基体的摩擦系数小""°。；。
Fig.8XRD spectrum of the worn surface
为进一步分析AlCrN涂层干滑动摩擦磨损机理，建立图9所示模型。图9(a)为AlCrN涂层干滑动摩擦模型图，町以看出，涂层表面在摩擦副的往复作用下产生较高能量，使得涂层中的A1与。2发生氧化反应，生成了Al?。］氧化膜，生成的氧化膜在往复摩擦过程中不断磨损又不断生成，因而其润滑效果取决于两过程的动态平衡。在摩擦过程中，微凸体可能发生转移，形成转移集团，也可能在原基体中长大。随着微凸体发生黏着和材料的转移，会有新的微凸体产生，并继续黏着。图9(b)为2N载荷下AlCrN涂层干滑动摩擦细节放大图，如图所示在摩擦副接触处形成Abo，氧化膜，承受较大载荷，是最容易发生磨损的部位，在往复摩擦过程中，ALO，氧化膜不断重复磨损、生成的过程，因此固体润滑的效果取决于这两过程的动态平衡。在此载荷下，微凸体发生材料的转移，形成新的黏着。并进一步发展成为转移集团，但因为承受的压力不大，并未脱落形成磨屑。图9(c)为8N载荷下AlCrN涂层干滑动摩擦细节放大图，此时摩擦副主要由少数转移集团所支撑，它们所承受的压力远大于2N载荷，重叠起来的转移集团被碾压成片状.从摩擦表面剥落下来，成为磨屑。
3结论
(1)空压机转子QT600基体在低载荷下的磨损为粘着与磨粒磨损，载荷越高，磨粒磨损越严重。AlCrN涂层在2N载荷下的磨损为黏着磨损，在8N 载荷下的磨损为黏着与磨粒磨损。
(2)在空压机转子QT600表面制备AlCrN涂层，摩擦系数与基体本身相比较低，表明在基体表面制备AlCrN涂层能够起到良好的减摩性能；AlCrN 涂层的磨损率与基体相比均有所降低，表明在转子表面制备AlCrN涂层可以起到有效的保护。
(3)在AlCrN涂层表面加载，涂层中的A1会与。2反应生成A12O3氧化膜，起到固体润滑的作用。在2N载荷下，微凸体主要发生黏着和转移，形成新的微凸体和转移集团；在8N载荷下，重叠起来的转移集团被碾压成片状，从摩擦表面剥落，形成磨屑
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