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580 2008年中国机械工程学会年会暨甘肃省学术年会文集 镁合金表面氮化铬镀层制备及其磨损性能研究 田林海1 刘二强1 范爱兰1 秦 林1 刘道新2唐 宾1 1．太原理工大学表面工程研究所太原030024 2．西北工业大学航空学院陕西710072 摘要：应用多弧离子镀技术在AZ9lD镁合金表面制备氮化铬镀层。用扫描电镜(SEM)、x射线衍射(xRD)和辉光放电光谱 (GDOES)分析镀层的成分和微观组织结构，采用球盘磨损试验测试摩擦系数，并计算出比磨损率。结果表明，与镁合金基体 相比摩擦系数降低I倍以上，比磨损率降低40多倍，抗磨性能大幅度提高。 关键词：镁合金氮化铬磨损 中图分类号：TGl32．3 O 引言 镁合金具有高的比强度、低的弹性模量、减震等优点，被誉为2l世纪的理想现代工业材料，但耐蚀 耐磨性差制约了其在许多领域的应用，低劣的耐磨性导致镁合金仅限制于制造静载零件?。物理气相沉积 TiN、CrN等硬质镀层可大幅度提高材料的抗磨性能，在摩擦磨损领域已获得广泛的应用，合适的PvD镀 层可大幅度提高镁合金的耐磨性I}川。 由于镁合金化学性质活泼，表面易氧化，且承戟能力差，因此，一般镁合金基体PVD镀层结合力较 高速钢等其它基体上差。采用多弧离子镀技术通过辉光放电对镁合金基体进行刻蚀，可有效去除表面氧化 物等杂质，防止氧化物生成；同时高能金属离子注入镁合金基体表面可有效提高基体支撑能力，有利于结 合力和抗磨性能提高降51。本文采用多弧离子镀技术在Az9lD镁合金表面沉积氮化铬镀层，以提高其抗磨 损性能。 1试样制备和试验方法 1．1试样制备 选用工业用铸态AZ91D镁合金为基体材料，试样经水磨砂纸打磨和抛光，然后用丙酮超声波清洗， 烘干后放入真空室。采用多弧离子镀技术制备氮化铬镀层，靶材为99．99％的纯铬靶，沉积设备为8弧源多 弧离子镀膜机。镀层制备过程包括离子轰击清洗，制备cr过渡层和CrN镀层。辅助气体为N2、时气体， 纯度为99．999％。具体制备工艺如表1所示。 表l CrN镀层制备工艺 参数 设蔑 工作时间，min 靶间距，mm 工作气既，Pa N2：Ar 偏腑V 弧流，A 沉秘温度，℃ 72 170．190 03旬．5 lO：1 150．200 25—30 150．170 l。2试验方法 用LE0438vP扫描电子显微镜(SEM)观察镀层形貌特征；Rjgacu D／max 2500型x射线衍射(XRD)(Cu 国家自然科学基金项目50671085)．山西省留学【口】国人员项目(2006—27)，山西省高等学校中青年拔尖创新人才支持计划资助。 n械装≈#构村H0表面挫术研H会 靶，40 kv)分析镀层结构：GDA750}Ⅱ·辉光放电光谱仪(GDOEs)剥层定壁分析镀屈成分分布；纳米压^仪 测试镀屡硬度。 镀层摩撼磨损试验在自制的球．盘磨损试验机上进行，选用03mm的Gcrl5球作为摩擦配副．试验参 数为载椅1N，旋转速度1000“m‰轨道直径m14帆磨损时M 20㈣试验存事温环境F进行，相对 湿度45±5％。 2试验结果及分析 aJ镀层表面形貌 图l为镁合金表面crN镀层的sEM表而形貌．crN镀层的生K基率上是以岛状方式进行的，品粒细 小、均匀，但存在少量的租大颗粒。 2镀层的化学成分 镁合金表面crN镀层GDOEs成分沿深度分布曲线如图2所示，从中可看出在crN镀屡与基体之间有 一层明显的cr和N的梯度性过∞￡层。过渡层的存在产生一定的“钉扎”效应，增加了薄膜与摹体的结 台力‘”。 縻 圈I oN链目女《m貌 圈2 c州雄EG呻瞵成分*巾∞搜 23镀层相结构 图3为镀层的x射线衍射图谱，镀层中除了含有c『N和cnN相外，还钉基体相。但是xRD分析井 未探捌到Az9lD的基本相-A1．2M自7，而是出现些新的中间相如AIMg．这表叫在沉积膜层下的基体表层 发生了Al的偏聚。 24硬度和耐磨性能 应用纳米压八法*5得的镀层硬度为12 8GPa，较镁 合金基体硬度(HV63，相当于0 630Pa)大幅度提高。 圈4为球盘磨损试验后来镀crN的Az9lD和镀crN 后的磨痕形貌。A四ID基材的摩攘呵旱现了明显的撕裂 瘦迹、擦伤和塑性流线，右边甚生可以看到刚粘着而留 下的直径超过200岬的坑．磨痕宽度接近2帆反映 了其严重的粘着磨损结果。而镀crN试样岸擦面呈现比 被整齐的犁沟，磨痕宽度约30啦500“m，为典型的磨粒 蘑损特征。 !：!!!：!!，二一。：毒姜一 型3 crN镀垃xRD豳谱 图5足末镀Az9lD基体和镀c州层后摩擦因数与时间的关系曲线。除了初蛤的磨合阶段外，Az9】D 基村的平均摩擦因数约为028，而渗镀crN试样约由013，较基体降低1倍以上。 2∞8年中目机械I程学会年☆g