第1章  緒論 001

1.1  引言 002

1.2  PVD塗層的制備工藝 003

1.3  PVD塗層的應用及特點 004

1.3.1  PVD塗層在摩擦學中的應用 005

1.3.2  TiN、TiAlN和AlTiN塗層 006

1.3.3  CrN和CrAlN塗層 008

1.4  PVD氮化物塗層摩擦學研究現狀 009

1.4.1  常溫摩擦學研究現狀 009

1.4.2  高溫摩擦學研究現狀 011

1.5  本書主要研究內容 015

1.5.1  存在問題及待解決問題 015

1.5.2  本書主要闡述的問題 016



第2章  PVD氮化物塗層的制備、物理力學性能及微觀結構 018

2.1  PVD氮化物塗層的制備 019

2.2  塗層成分及物相組成 021

2.3  塗層的物理力學性能 022

2.3.1  塗層的厚度和硬度 023

2.3.2  塗層與基體之間的結合力 024

2.4  塗層的微觀形貌 025

2.4.1  表面微觀形貌 025

2.4.2  斷面微觀形貌 025

2.4.3  表面粗糙度 029



第3章  高溫下PVD氮化物塗層的摩擦應力分析 031

3.1  球-盤接觸的力學問題 032

3.1.1  球-盤接觸力學問題的一般求解 032

3.1.2  塗層表面接觸力學問題 033

3.2  塗層的高溫熱應力 034

3.2.1  塗層中熱應力的產生及理論建模 034

3.2.2  熱應力對塗層失效的影響 038

3.2.3  摩擦接觸表面的溫度計算 039

3.3  PVD氮化物塗層的高溫摩擦應力模擬 040

3.3.1 分析模型的建立 040

3.3.2  高溫摩擦應模擬的結果分析 042



第4章  PVD氮化物塗層的高溫氧化特性 050

4.1  塗層氧化反應理論及計算 051

4.1.1  塗層氧化反應的熱力學計算 051

4.1.2  塗層的高溫氧化動力學分析 054

4.2  氮化物塗層的高溫氧化試驗 056

4.2.1  試樣材料特性 056

4.2.2  試驗方案 056

4.3  氮化物塗層的高溫氧化特性 057

4.3.1  塗層氧化後的宏觀形貌及色澤變化 057

4.3.2  塗層氧化產物的XRD分析 058

4.3.3  氮化物塗層氧化後的硬度 061

4.4  氮化物塗層氧化後的微觀結構及氧化機制分析 062

4.4.1  塗層氧化後的微觀結構及氧化機制 062

4.4.2  Al對塗層抗氧化性能及氧化機制的影響 066

4.4.3  Ti基與Cr基塗層的高溫氧化性能及氧化機制對比研究 069



第5章  PVD氮化物塗層的高溫摩擦磨損特性 072

5.1  高溫摩擦磨損試驗方法及試驗材料 073

5.1.1  摩擦副的確定及材料的基本特性 073

5.1.2  試驗裝置及試驗方案 075

5.1.3  試驗結果的檢測 076

5.2  TiN、TiAlN和AlTiN塗層的高溫摩擦磨損特性 076

5.2.1  TiN、TiAlN和AlTiN塗層的高溫摩擦繫數 076

5.2.2  TiN、TiAlN和AlTiN塗層高溫磨損表面形貌研究 079

5.3  CrN和CrAlN塗層的高溫摩擦磨損特性 085

5.3.1  CrN和CrAlN塗層的高溫摩擦繫數 085

5.3.2  CrN和CrAlN塗層高溫磨損表面形貌研究 088

5.4  塗層成分對PVD氮化物塗層的高溫摩擦磨損特性的影響 091

5.4.1  TiN和CrN塗層的高溫磨損特性對比 092

5.4.2  Al及其含量對Ti基塗層高溫摩擦磨損特性的影響 094

5.4.3  Al對Cr基塗層高溫摩擦磨損特性的影響 095

5.4.4  含Al塗層高溫摩擦磨損特性的對比 096



第6章  PVD氮化物塗層的高溫磨損機理 100

6.1  PVD氮化物塗層高溫摩擦中的氧化 101

6.1.1  摩擦接觸表面的溫度 101

6.1.2  塗層摩擦前後的氧含量 103

6.2  磨痕表面的微觀形貌及磨損機理分析 105

6.2.1   TiN塗層 105

6.2.2  TiAlN塗層 108

6.2.3  AlTiN塗層 111

6.2.4  CrN塗層 113

6.2.5  CrAlN塗層 116

6.3  PVD氮化物塗層的高溫磨損形式 120

    6.3.1  對磨副同時磨損 120

6.3.2  對磨球磨損 121

6.3.3  塗層磨損 121

6.4  塗層氧化物對PVD氮化物塗層高溫磨損的影響 122

6.4.1  TiO2的影響 122

6.4.2  TiO2和Al2O3的影響 124

6.4.3  Cr2O3和Al2O3的影響 125



第7章  PVD氮化物塗層材料的研究現狀及發展趨勢 128

7.1  PVD氮化物塗層材料的研究現狀 129

7.2  PVD氮化物塗層材料的發展趨勢 132



參考文獻 134

塗層可以有效改善材料性能，在工程中有著廣泛的應用，特別是其優異的耐磨、耐腐蝕和抗氧化性能能夠有效地提高材料的耐磨性和使用壽命。塗層在使用過程中的劇烈摩擦會產生大量的摩擦熱，使接觸面溫度急劇升高，高溫環境對其性能產生了很大的影響，因此工程中對塗層的高溫摩擦磨損性能提出了更高的要求。目前有關PVD（physical vapor deposition，物理氣相沉積）氮化物塗層的摩擦學研究條件較為單一，特別是缺乏塗層在高溫環境下耐磨性的繫統性研究資料。為了便於學術交流，特將PVD氮化物塗層的性能及高溫摩擦學的一些相關研究編寫成本書。

本書以目前作為耐磨防護出現的氮化物塗層為研究對像，筆者所在課題組制備了TiN、TiAlN、AlTiN、CrN和CrAlN五種塗層，圍繞其高溫摩擦磨損特性做了繫統研究，重點分析了Ti基與Cr基塗層素及其含量對塗層高溫摩擦磨損特性的影響，從而為開發新的塗層材料提供有效的理論依據，進而提高塗層的摩擦性能，為相關工程技術人員正確設計並使用塗層提供有價值的技術參考。

全書內容共分為7章，詳細介紹了五種PVD氮化物塗層的制備、性能、高溫氧化特性，著重探討了PVD氮化物塗層的高溫摩擦磨損特性及磨損機理。第1章為緒論；第2章為PVD氮化物塗層的制備、物理力學性能及微觀結構；第3章以ANSYS軟件為工具研究高溫下PVD氮化物塗層的摩擦應力；第4章為PVD氮化物塗層的高溫氧化特性，為塗層的高溫摩擦特性分析提供依據；第5、6章通過試驗研究了PVD氮化物塗層的高溫摩擦磨損特性並繫統分析對比了幾種塗層的高溫磨損機理；第7章為PVD氮化物塗層材料的研究現狀及發展趨勢。

本書由山東交通學院劉愛華著，由山東大學機械工程學院的鄧建新教授主審。特別感謝鄧建新教授對研究工作的支持和幫助以及對本書提出的諸多指導和建議。感謝同一課題組的崔海冰、邢佑強、李士鵬、陳揚楊在課題試驗方面給予的幫助；感謝博士生張輝、顏培、吳澤、連雲崧、吳鳳芳和李普紅在本書撰寫過程中給予的建議和幫助；感謝濟南大學的付秀麗副教授、煙臺大學的張月蓉博士在本書完成期間給予的幫助和建議；特別感謝山東交通學院潘義川老師精彩的SEM工作；感謝山東交通學院的領導和老師給出的寶貴意見和建議。

由於筆者水平有限，書中難免存在欠妥和疏漏之處，希望各位同行和讀者批評指正。



著者

2021年10月