PVD nitride coating materials

本书详细讲解了TiN、TiAlN、AlTiN、CrN和CrAlN五种PVD氮化物涂层材料的制备及性，着重探讨PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损性及磨损机理。

本书着眼于目前常用的PVD氮化物涂层在高温环境下的摩擦学性，模拟涂层使用的真实环境，分析了五种PVD氮化物涂层的制备、性能、高温氧化性，着重探讨了PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损性及磨损机理，总结了PVD氮化物涂层材料的研究现状及发展趋势，从而为开发新的涂层材料提供有效的理论依据。

本书可为机械领域和材料领域的工程技术人员及科研人员提供帮助，也可供高校相关专业师生学习参考。

第1章  绪论 001

1.1  引言 002

1.2  PVD涂层的制备工艺 003

1.3  PVD涂层的应用及点 004

1.3.1  PVD涂层在摩擦学中的应用 005

1.3.2  TiN、TiAlN和AlTiN涂层 006

1.3.3  CrN和CrAlN涂层 008

1.4  PVD氮化物涂层摩擦学研究现状 009

1.4.1  常温摩擦学研究现状 009

1.4.2  高温摩擦学研究现状 011

1.5  本书主要研究内容 015

1.5.1  存在问题及待解决问题 015

1.5.2  本书主要阐述的问题 016



第2章  PVD氮化物涂层的制备、物理力学性能及微观结构 018

2.1  PVD氮化物涂层的制备 019

2.2  涂层成分及物相组成 021

2.3  涂层的物理力学性能 022

2.3.1  涂层的厚度和硬度 023

2.3.2  涂层与基体之间的结合力 024

2.4  涂层的微观形貌 025

2.4.1  表面微观形貌 025

2.4.2  断面微观形貌 025

2.4.3  表面粗糙度 029



第3章  高温下PVD氮化物涂层的摩擦应力分析 031

3.1  球-盘接触的力学问题 032

3.1.1  球-盘接触力学问题的一般求解 032

3.1.2  涂层表面接触力学问题 033

3.2  涂层的高温热应力 034

3.2.1  涂层中热应力的产生及理论建模 034

3.2.2  热应力对涂层失效的影响 038

3.2.3  摩擦接触表面的温度计算 039

3.3  PVD氮化物涂层的高温摩擦应力的有限元模拟 040

3.3.1  有限元分析模型的建立 040

3.3.2  高温摩擦应力有限元模拟的结果分析 042



第4章  PVD氮化物涂层的高温氧化性 050

4.1  涂层氧化反应理论及计算 051

4.1.1  涂层氧化反应的热力学计算 051

4.1.2  涂层的高温氧化动力学分析 054

4.2  氮化物涂层的高温氧化试验 056

4.2.1  试样材料性 056

4.2.2  试验方案 056

4.3  氮化物涂层的高温氧化性 057

4.3.1  涂层氧化后的宏观形貌及色泽变化 057

4.3.2  涂层氧化产物的XRD分析 058

4.3.3  氮化物涂层氧化后的硬度 061

4.4  氮化物涂层氧化后的微观结构及氧化机制分析 062

4.4.1  涂层氧化后的微观结构及氧化机制 062

4.4.2  Al对涂层抗氧化性能及氧化机制的影响 066

4.4.3  Ti基与Cr基涂层的高温氧化性能及氧化机制对比研究 069



第5章  PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损性 072

5.1  高温摩擦磨损试验方法及试验材料 073

5.1.1  摩擦副的确定及材料的基本性 073

5.1.2  试验装置及试验方案 075

5.1.3  试验结果的检测 076

5.2  TiN、TiAlN和AlTiN涂层的高温摩擦磨损性 076

5.2.1  TiN、TiAlN和AlTiN涂层的高温摩擦系数 076

5.2.2  TiN、TiAlN和AlTiN涂层高温磨损表面形貌研究 079

5.3  CrN和CrAlN涂层的高温摩擦磨损性 085

5.3.1  CrN和CrAlN涂层的高温摩擦系数 085

5.3.2  CrN和CrAlN涂层高温磨损表面形貌研究 088

5.4  涂层成分对PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损性的影响 091

5.4.1  TiN和CrN涂层的高温磨损性对比 092

5.4.2  Al及其含量对Ti基涂层高温摩擦磨损性的影响 094

5.4.3  Al对Cr基涂层高温摩擦磨损性的影响 095

5.4.4  含Al涂层高温摩擦磨损性的对比 096



第6章  PVD氮化物涂层的高温磨损机理 100

6.1  PVD氮化物涂层高温摩擦中的氧化 101

6.1.1  摩擦接触表面的温度 101

6.1.2  涂层摩擦前后的氧含量 103

6.2  磨痕表面的微观形貌及磨损机理分析 105

6.2.1   TiN涂层 105

6.2.2  TiAlN涂层 108

6.2.3  AlTiN涂层 111

6.2.4  CrN涂层 113

6.2.5  CrAlN涂层 116

6.3  PVD氮化物涂层的高温磨损形式 120

    6.3.1  对磨副同时磨损 120

6.3.2  对磨球磨损 121

6.3.3  涂层磨损 121

6.4  涂层氧化物对PVD氮化物涂层高温磨损的影响 122

6.4.1  TiO2的影响 122

6.4.2  TiO2和Al2O3的影响 124

6.4.3  Cr2O3和Al2O3的影响 125



第7章  PVD氮化物涂层材料的研究现状及发展趋势 128

7.1  PVD氮化物涂层材料的研究现状 129

7.2  PVD氮化物涂层材料的发展趋势 132



参考文献 134

刘爱华，从2008年至今，一直PVD氮化物刀具涂层的研究工作，以此为基础获得主持山东省优秀中青年科学家奖励1项，济南市高校科技计划项目1项，主持本单位科研研究项目1项；在《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》、《Surface Engineering》、《材料热处理学报》、《Advanced Materials Research》和《Materials Science Forum》等国内外核心期刊及国际学术会议发表论文10余篇，其中SCI收录2篇，Ei收录8篇，核心6篇。与企业合作横向课题1项。 所负责建设的《机械设计基础》课程获批山东省优秀本科课程；山东省课程思政示范课程；山东省优秀共享课程一等奖，山东省优秀共享案例三等奖；学校“专业育人”示范课程，首批混合式课改立项课程，校内课程评估等级A类；山东省教育科学优秀成果二等奖（教材类）；获得校级教学设计比赛一等奖1项；课程信息化建设一等奖2项；课堂教学比赛一等奖、三等奖各1项；教师教学创新大赛二等奖一项（团队），线上教学优秀教师；主持参与教育教学研究课题20余项，其中省级5项，与课程思政相关课题2项。

涂层可以有效改善材料性能，在工程中有着广泛的应用，别是其优异的耐磨、耐腐蚀和抗氧化性能能够有效地提高材料的耐磨性和使用寿命。涂层在使用过程中的剧烈摩擦会产生大量的摩擦热，使接触面温度急剧升高，高温环境对其性能产生了很大的影响，因此工程中对涂层的高温摩擦磨损性能提出了更高的要求。目前有关PVD（physical vapor deposition，物理气相沉积）氮化物涂层的摩擦学研究条件较为单一，别是缺乏涂层在高温环境下耐磨性的系统性研究资料。为了便于学术交流，将PVD氮化物涂层的性能及高温摩擦学的一些相关研究编写成本书。

本书以目前作为耐磨防护出现的氮化物涂层为研究对象，笔者所在课题组制备了TiN、TiAlN、AlTiN、CrN和CrAlN五种涂层，围绕其高温摩擦磨损性做了系统研究，重点分析了Ti基与Cr基涂层、Al元素及其含量对涂层高温摩擦磨损性的影响，从而为开发新的涂层材料提供有效的理论依据，进而提高涂层的摩擦性能，为相关工程技术人员正确设计并使用涂层提供有价值的技术参考。

全书内容共分为7章，详细介绍了五种PVD氮化物涂层的制备、性能、高温氧化性，着重探讨了PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损性及磨损机理。第1章为绪论；第2章为PVD氮化物涂层的制备、物理力学性能及微观结构；第3章以ANSYS软件为工具研究高温下PVD氮化物涂层的摩擦应力；第4章为PVD氮化物涂层的高温氧化性，为涂层的高温摩擦性分析提供依据；第5、6章通过试验研究了PVD氮化物涂层的高温摩擦磨损性并系统分析对比了几种涂层的高温磨损机理；第7章为PVD氮化物涂层材料的研究现状及发展趋势。

本书由山东交通学院刘爱华著，由山东大学机械工程学院的邓建新教授主审。别感谢邓建新教授对研究工作的支持和帮助以及对本书提出的诸多指导和建议。感谢同一课题组的崔海冰、邢佑强、李士鹏、陈扬杨在课题试验方面给予的帮助；感谢博士生张辉、颜培、吴泽、连云崧、吴凤芳和李普红在本书撰写过程中给予的建议和帮助；感谢济南大学的付秀丽副教授、烟台大学的张月蓉博士在本书完成期间给予的帮助和建议；别感谢山东交通学院潘义川老师精彩的SEM工作；感谢山东交通学院的领导和老师给出的宝贵意见和建议。

由于笔者水平有限，书中难免存在欠妥和疏漏之处，希望各位同行和读者批评指正。



著者

2021年10月