2018, Vol. 39
2. 重庆新恒基真空镀膜有限公司, 重庆 402760
2. Chongqing Xinhengji Vacuum Coating Co., Ltd., Chongqing 402760, China
CrN涂层具有高硬度、高耐磨性和良好的抗氧化性[1], 已经在合金刀具、成型模具等的表面改性方面得到了十分广泛的应用.但是CrN涂层的热稳定性较差[2], 使其不能满足高速切削对涂层高热稳定性的要求.为了进一步提高涂层的综合性能, 往CrN涂层中添加其他元素形成三元涂层, 如CrAlN[3], CrSiN, CrCN等.与CrN涂层相比, CrAlN涂层具有更高的硬度, 特别是良好的热稳定性, 这是由于加入铝元素在表面形成致密的氧化铝薄膜[4].
目前CrAlN涂层的制备方法主要有:阴极电弧蒸发镀、电弧离子镀、磁控溅射法等, 与其他沉积方法相比, 电弧离子镀具有高离化率、沉积速率快、膜基之间结合力强等优点[5], 在工业上得到了广泛的运用.在电弧离子镀众多工艺参数中, 负偏压[6]作为一个重要的参数对涂层的组织结构、表面形貌、硬度、结合强度、摩擦学性能等有着很大的影响.
本文采用电弧离子镀技术, 以不同的负偏压在高速钢表面沉积CrAlN涂层, 通过一系列表征与检测手段, 研究了负偏压对CrAlN涂层表面形貌、微观结构、机械性能和摩擦学性能的影响.
1 实验材料和实验方法 1.1 实验材料实验中选用的基材为M2高速钢, 样品尺寸为15 mm×15 mm×4 mm, 靶材采用质量分数为99.99 %的Cr靶与Cr30Al70(原子分数)靶, 直径为100 mm; 以质量分数为99.99 %的氩气作为工作气体, 以质量分数为99.99 %的氮气作为反应气体, 采用PVD18型电弧离子镀设备制备涂层.
1.2 实验方法对基体表面进行抛光后, 用清洗剂和去离子水进行超声清洗, 再用无水乙醇脱水, 烘干后装入真空室内, 靶基距为325 mm.
抽真空至5×10-3 Pa以下, 将真空室内加热到420 ℃, 通入氩气至3.0 Pa, 采用-800 V的负偏压对基材清洗30 min; 将负偏压调整至-400 V, Cr靶弧电流为80 A, 通入氩气至2×10-1 Pa, 沉积Cr层40 s作为过渡层; 将CrAl靶弧电流调整至100 A, 通入氮气至1.0 Pa, 采用-30, -50, -100, -200, -300 V的负偏压制备5种CrAlN涂层, 沉积时间为60 min.
涂层样品的表面形貌观察在ULTRA PLUS型场发射扫描电子显微镜上完成; 采用MPDDY2094型X射线衍射仪对涂层样品进行物相分析; 显微硬度采用AMH43型全自动显微硬度仪进行测试; 膜基结合性能采用MFT-4000型多功能材料表面性能试验仪进行测试; 摩擦磨损性能采用MS-T3000型球盘式旋转摩擦磨损试验机进行测试.
2 结果与讨论 2.1 表面形貌图 1为不同负偏压下CrAlN涂层的表面形貌.由图 1可知, 涂层表面存在许多大颗粒, 对比发现, 负偏压较小时, 涂层表面大颗粒数量较多且存在一些凹坑.随着负偏压的增加, 大颗粒数量逐渐减少, 涂层变得更加致密.但过大的负偏压使得表面再次出现缺陷.这是由于轰击效应[7-8]和“反作用力”[9]的共同作用, 随着负偏压的增加, 等离子体在外电场作用下获得更多能量并伴随着强烈的轰击作用, 进而减少了大颗粒的数量, 但过高的负偏压带来过强的离子轰击使涂层表面再次出现缺陷(凹坑); 另外施加负偏压后会在基底附近形成一个带负电的鞘层, 会对带负电的大颗粒产生一个反作用力, 负偏压越高, 反作用力越大, 消除大颗粒的效果也越明显.
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图 1 不同负偏压下CrAlN涂层的表面形貌 Fig.1 Typical surface morphologies of CrAlN coatings under different negative bias voltages (a)—-30 V；(b)—-50 V；(c)—-100 V；(d)—-200 V；(e)—-300 V. |
图 2为不同负偏压下CrAlN涂层的XRD图谱.由图 2可知, CrAlN涂层中主要是六方AlN晶体相, 有(111), (200), (220), (311)几种择优取向, 此外还存在基底的衍射峰.CrAlN随Al含量的不同表现出不同的晶体结构[10], 当Al含量达到一定值, 涂层将由面心立方晶格向六方晶格转变.同时由图 2可知, 当负偏压适中时, AlN相的衍射峰强度较高, 这表明涂层结晶效果比较好.
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图 2 不同负偏压下CrAlN涂层的XRD图谱 Fig.2 XRD patterns of CrAlN coatings under different negative bias voltages |
图 3为不同负偏压下CrAlN涂层晶粒尺寸和晶格常数的变化曲线.由图 3可知, 随着负偏压的增加, 晶粒尺寸先减小后增加, 适当地增加负偏压给涂层结晶提供了足够的能量, 细化粗大的晶粒, 使涂层变得致密, 但过高的能量会造成等轴晶消失, 并使涂层产生缺陷.负偏压的增加使衍射峰向小角度偏移, 因此晶格常数逐渐增大.
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图 3 晶粒尺寸和晶格常数随负偏压的变化曲线 Fig.3 Influence of negative bias voltage on the grain size and lattice constant |
图 4为不同负偏压下CrAlN涂层的显微硬度.由图 4可知, 涂层的显微硬度随负偏压的增加呈现出先增加后减小的趋势, 当负偏压为-200 V时, 涂层的显微硬度达到最大值, 为28.6 GPa.CrAlN涂层的硬度很大程度上依赖于涂层的微观结构.当负偏压适中时, 涂层中AlN晶体相的结晶情况较好, 涂层组织致密性好, 同时表面大颗粒数量较少, 这些都有助于涂层硬度的提高.但当负偏压过大时, 过强的轰击作用可能会使AlN相的等轴晶消失，同时造成晶格弛豫，导致硬度降低.
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图 4 不同负偏压下CrAlN涂层的显微硬度 Fig.4 Microhardness of CrAlN coatings under different negative bias voltages |
图 5为不同负偏压下CrAlN涂层的临界载荷.由图 5可知, 当负偏压为-100 V时, 涂层的临界载荷达到最大值, 为31.8 N.适当地增加负偏压, 拥有更高能量的离子轰击生长的涂层表面, 导致基片温度上升, 细化晶粒同时减少涂层中存在的残余应力, 从而提高涂层的结合性能.过大的负偏压导致结合性能下降的原因可能是负偏压使涂层中Cr原子的含量产生了变化.由此引起的晶格畸变程度增加, 导致了涂层应力上升, 使膜层的结合性能下降.
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图 5 不同负偏压下CrAlN涂层的临界载荷 Fig.5 Changes of the critical load of CrAlN coatings under different negative bias voltage |
图 6为不同负偏压条件下CrAlN涂层的摩擦曲线.图 7为不同负偏压下CrAlN涂层的平均摩擦系数.由图 6, 图 7可知, 所制备的涂层具有良好的摩擦学性能.在实验2 min过后样品的摩擦系数趋于平稳状态, 摩擦曲线前期出现波动可能与涂层表面存在的大颗粒以及凹坑有关.平均摩擦系数随负偏压的增加呈现出先减小后增加的趋势, 当负偏压为-200 V时, 平均摩擦系数最小, 为0.5.摩擦系数的变化趋势与表面形貌变化规律相一致, 当负偏压较小时, 涂层表面存在的大颗粒数量较多, 同时涂层中也存在较多的缺陷, 因此摩擦系数最大; 随着负偏压的增加, 大颗粒数量逐渐减少, 晶粒细化, 粗糙度降低, 因此涂层的摩擦系数逐渐减小.另外，由于大量铝元素的存在, 在实验过程中可能会形成致密Al2O3, 也可以起到减摩的作用.过大的负偏压导致涂层再次出现缺陷, 所以当负偏压超过-200 V时, 涂层的摩擦系数有所增加.
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图 6 不同负偏压条件下CrAlN涂层的摩擦曲线 Fig.6 Friction coefficient curves of CrAlN coatings under different negative bias voltages |
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图 7 不同负偏压下CrAlN涂层的平均摩擦系数 Fig.7 Average friction coefficient of CrAlN coatings under different negative bias voltages |
图 8为不同负偏压下CrAlN涂层的磨损率.由图 8可知, 涂层磨损率的变化趋势与摩擦系数的变化趋势是一致的.当负偏压为-200 V时, 涂层的磨损率最小为2.77×10-5 mm3/(N·m); 当负偏压为-30 V时, 涂层的磨损率最大为9.42×10-5 mm3/(N·m).磨损率减小与微观结构的变化和机械性能的改善有很大的关系.当负偏压为-200 V时, 涂层具有最高的硬度, 结合力也达到30.5 N, 因此认为结合力和硬度是影响涂层磨损率的两个重要因素.
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图 8 不同负偏压下CrAlN涂层的磨损率 Fig.8 Wear rate of CrAlN coatings under different negative bias voltages |
1) 负偏压较低时, 涂层表面大颗粒数量多且存在很多缺陷.随着负偏压的增加, 涂层表面大颗粒数量逐渐减少, 涂层变得更加致密; 但负偏压过大会导致涂层再次出现凹坑等缺陷.
2) 涂层中的晶体相主要为固溶铬的六方AlN相; 负偏压适中时, 涂层的结晶效果较好.适当地提高负偏压, 晶粒可以得到细化, 当负偏压为-200 V时, 涂层的晶粒尺寸最小.
3) 负偏压为-200 V时, 涂层的显微硬度达到最大值, 为28.6 GPa, 同时具有较好的膜基结合强度, 结合力为30.5 N.涂层的摩擦学性能由表面形貌、微观结构和机械性能共同决定, 当负偏压为-200 V时, 涂层具有最好的摩擦学性能.
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