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专栏简介
“硬质材料”专栏由 Technologies 编委郭智兴博士主持，专注于难熔金属与硬质材料的材料制备与表征、数控刀具设计制造技术等研究工作。
郭智兴 博士
四川大学
四川省切削刀具智能设计与服务工程技术研究中心副主任，正高职称，博士生导师，四川省学术与技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才，“常春藤”Brown University国家留学基金委公派访问学者。长期主要从事粉末冶金、涂层、焊接等材料加工技术，难熔金属与硬质材料 (WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷) 的材料制备与表征，数控刀具设计制造技术等研究工作。主持国家自然科学基金、四川省重大专项/重点研发项目 (课题) 等20余项；主研国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备”3项，国家自然基金重点项目1项。在国际学术期刊发表SCI论文100余篇 (其中中科院TOP期刊70余篇)，引用2100余次，H-index为28；授权发明专利36项，转化4项；获四川省科技进步二等奖1项及市级一等奖1项。
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引言
类金刚石碳 (DLC) 涂层因具有低的摩擦系数和优异的机械性能 (高硬度和弹性模量) 而被广泛用于各类零件的表面防护。DLC涂层与金属基体之间的结合力较低，通过在沉积过程中增加中间层并掺杂不同的金属或非金属元素，可以提高DLC涂层的结合力。本研究旨在通过多种气相沉积方法制备出具有优异机械和摩擦学性能的CrN/DLC和DLC-W涂层，并研究涂层在300 °C以下温度的摩擦学行为。
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研究内容
使用物理气相沉积 (PVD) 和等离子体增强化学汽相沉积 (PECVD) 在渗碳和硬化的16MnCr5钢上了沉积CrN/DLC和DLC-W涂层。
从图1可见，CrN/DLC涂层具有双层涂层，总厚度为2.95 μm，其底层为0.35 μm厚的Cr粘结层，然后是0.75 μm的CrN增强层，最后是1.85 μm厚的DLC层。DLC-W涂层之前是厚度为0.58 μm的WC过渡层，DLC-W涂层显示出多层柱状结构，总厚度为6.58 µm。拉曼光谱分析表明，在DLC中添加钨有利于在DLC中形成sp2键合。
图1. 涂层微观组织：(a-c) 顶面SEM；(d-f) 截面SEM；(g-h) 截面TEM。
图2是CrN/DLC和DLC-W涂层的表面AFM。可见，两种涂层的表面光洁，没有明显的孔隙或裂纹。CrN/DLC和DLC-W涂层的平均粗糙度 (Ra) 分别为8.51 nm和12.7 nm。
图2. 两种涂层的AFM：(a) CrN/DLC；(b) DLC-W。
图3是在25 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃的未涂层与涂层材料的摩擦系数和磨损率。可见，COF随着温度的升高而稳步增加。在150 ℃及以上，未涂层试样的COF大于1，表明发生了粘着磨损。在所有温度下，CrN/DLC和DLC-W的COF均低于未涂层试样，表明CrN/DLC与DLC-W涂层改善了基体的摩擦学性能。CrN/DLC COF在所有温度下都远低于DLC-W的测量值。除了使用Cr中间层提高了涂层与基材的附着力之外，CrN/DLC的较低COF可能归因于较高的sp3含量，高硬度意味着低的变形。
图3. 未涂层与涂层材料的25 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃的 (a) 摩擦系数和 (b) 磨损率。
图4是从3D和2D轮廓测量图像中获取的25 ℃、150 ℃、200 ℃和250 ℃下未涂层、CrN/DLC涂层和DLC-W涂层的最大磨损轨迹峰值和深度。由于在摩擦接触区域中sp3键转化为sp2，DLC涂层在环境温度下表现出低摩擦和高耐磨性。由于sp2含量的增加，CrN/DLC涂层中磨损率随着温度的升高而继续增加，导致涂层更软，在更高的温度下会迅速磨损。DLC-W涂层的磨损率增加更有可能是由于WC纳米粒子作为磨料成分的存在。
图4. 从3D和2D轮廓测量图像中获取的25°C、150°C、200°C和250°C下未涂层、CrN/DLC涂层和DLC-W涂层盘的最大磨损轨迹峰值和深度。
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研究总结
本文研究了16MnCr5上沉积的双层CrN/DLC和纳米多层DLC-W涂层在25 °C、150 °C、200 °C和250 °C下的摩擦磨损性能。CrN/DLC在25 °C时的摩擦系数最低。由于粘附磨损的增加，CrN/DLC摩擦系数 (COF) 随着温度的升高而增加。同样，随着温度从25 °C升高到250 °C，DLC-W表现出类似的趋势。由于sp3键转变为sp2键，这两种涂层的耐磨性随着温度的升高而降低。CrN/DLC在所有温度下均表现出优于DLC-W涂层的耐磨性。与这两种涂层相比，未涂覆的16MnCr5在所有温度下都表现出更高的摩擦系数和磨损率。
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阅读英文原文
原文出自 Coatings 期刊
Kolawole, F.O.; Kolawole, S.K.; Fukumasu, N.K.; Varela, L.B.; Vencovsky, P.K.; Ludewigs, D.A.; de Souza, R.M.; Tschiptschin, A.P. Elevated Temperature Tribological Behavior of Duplex Layer CrN/DLC and Nano Multilayer DLC-W Coatings Deposited on Carburized and Hardened 16MnCr5 Steel. Coatings 2024, 14, 1197.
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往期回顾
“硬质材料”专栏 | MDPI Coatings：NiCrFeSiBC+Mo对WC-CoCr热喷涂涂层的影响
版权声明：
*本文由 Technologies 期刊编委郭智兴博士翻译撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。
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