1 前言在工模具、机械零件工作面上以膜 /基复合形式沉积出几微米厚硬质材料 (金属或化合物 )薄膜 ,可使其工作效率和寿命成倍提高。如ＰＶＤ沉积的ＴｉＮ刀具 ,不仅具有金黄色美丽的外观 ,还大大提高了切削速度 ,且寿命稳定地提高 3～ 5倍。用多弧离子镀膜机沉积ＴｉＮ膜 ,可在很宽的温度范围内操作 ,但沉积温度不同 ,ＴｉＮ膜的性能也会不同<1>。因此 ,研究不同沉积温度下ＴｉＮ涂层的性能 ,对确定最佳沉积温度、提高ＴｉＮ涂层性能是很有意义的。2 试验方法2 .1 试验用基体材料的化学成分及热处理工艺试验用基体材料Ｍ2 高速钢的化学成分见表 1。 表 1 试验用基体材料的化学成份钢 号 化 学 成 分 %ＣＳｉＭｎＣｒＷＭｏＶＰＳＷ 6Ｍｏ5Ｃｒ4Ｖ2 0 .82 0 .4 0 .4 4.1 0 6.354.80 2 .1 0 0 .0 2 50 .0 3 试样尺为 2 0ｍｍ× 8ｍｍ ,材料经热处理后硬度为 63～ 65ＨＲＣ ,材料的热处理工艺为 :1 2 30℃淬火 +560℃× 1 .5ｈ三次回火。2 .2 试验方法及设备ＴｉＮ涂层的显微硬度在国产 71型显微硬度计上测定 ,由于涂层较薄 ( 2～ 3μｍ) ,根据资料<2 >确定了显微硬度测试载荷选用 0 .2 5Ｎ ,作用时间为 1 5ｓ。硬度测试为 5点的有效平均值。ＴｉＮ涂层结合力用临界载荷 (Ｌｃ)的大小表示。临界载荷在ＷＳ -92型涂层附着力划痕试验机上测收稿日期 :2 0 0 0 -0 4 -2 5定。Ｘ射线衍射分析在Ｄ/ＭＡＸ ＲＢ转靶Ｘ射线衍射仪上进行。ＴｉＮ涂层的组织观察与能谱、波谱分析在ＡＭＭＡＲＹ扫描电镜上进行。2 .3 多弧离子镀ＴｉＮ涂层工艺多弧离子镀是在国产ＤＨＤ 60 0多弧离子镀设备上进行的。( 1 )镀前清洗工艺 :浸入粗清洗液 ,超声激励氟利昂蒸汽浴氟利昂浸浴超声ＳＳ 1浸浴超声自来水、去离子水漂洗氟利昂浸浴、脱水氟利昂浸浴、脱去残余活性剂。( 2 )涂层处理工艺 :抽真空系统加热 (充入氩气 ,辉光放电 )离子轰击充入氮气、涂层降温出炉。3 试验结果及讨论用多弧离子镀设备在不同沉积温度下沉积ＴｉＮ涂层 ,涂层硬度、结合力、耐磨性与沉积温度的关系见表 2。表 2 多弧离子镀沉积温度与涂层硬度、结合力、耐磨性关系试样编号沉积温度 (℃ )涂层硬度(ＨＶ0 .0 2 5)镀后基体硬度(ＨＲＣ)结合力(Ｎ)耐磨性 (磨损体积× 1 0 - 4ｍｍ3)1 2 80 1 80 0 64356.832 50 0 2 1 0 0 6462 5.603 650 1 2 0 0 50 0 1 5.743.1 沉积温度对ＴｉＮ涂层表面硬度的影响沉积温度与ＴｉＮ涂层表面硬度的关系见图 1。从图 1中可看出 ,多弧离子镀ＴｉＮ涂层在 50 0℃附近有一个最佳沉积温度范围 ,温度过低或过高对ＴｉＮ涂层的表面硬度均不利。沉积温度过低 ,实际上反映了预轰击时间过短或轰击能量较低 ,这样对涂层的致密性有影响图 1 沉积温度与ＴｉＮ涂层表面硬度的关系ＴｉＮ涂层形核不充分 ,组织粗化 ,从而使它的硬度下降。而沉积温度过高 ,则会使试样表面产生过热现象 ,当沉积温度超过基体材料的回火温度时 ,将导致基体硬度降低 ,无法与涂层形成良好的结合 ,且导致涂层硬度的降低。因此 ,在保证试样表面不过热的情况下 ,提高沉积温度对提高ＴｉＮ涂层硬度是有好处的。从组织观察来看 ,当基体温度过低 ,易得到疏松的锥状晶 ,而温度过高又易得到粗大柱状晶 ,只有温度适宜才能获得致密柱状晶 ,涂层硬度则由于原子排列更加规则、孔隙减小和晶界强化等原因而有所提高<3>。从能量观点来看 ,高能量的粒子轰击在提高基体温度的同时 ,还可使涂层密度提高 ,并提高涂层硬度和耐磨性<4 >。3.2 沉积温度对ＴｉＮ涂层结合力的影响沉积温度与ＴｉＮ涂层结合力的关系见图 2。从图 2中可看出 ,沉积温度对ＴｉＮ涂层的结合力影响很大。涂层与基体的结合力在试样表面不过热的情况下随沉积温度的提高而增加 ,主要是因为ＴｉＮ涂层与基体间存在着一层以Ｔｉ原子、Ｎ原子的扩散层构成的过渡层随沉积温度的增加而增厚 ,由此改善了涂层与基体的结合性能。图 2 沉积温度与ＴｉＮ涂层结合力的关系离子镀是镀膜与离子轰击同时进行的过程 ,因此 ,离子轰击在离子镀中起着非常重要的作用。由于多弧离子镀中离化率高 ,可达 60 %～ 80 % ,离子能量也较高 ,可达几百电子伏特至几千电子伏特。高能离子轰击基体材料表面会对基体及涂层的界面产生明显的影响。由于高能粒子在轰击过程中的注入 ,被溅射原子的背散射以及表层原子的反冲注入 ,将引起样品表面形成一个非扩散型的混合区域<5 >。Ｔｉ离子、Ｎ离子及样品表面被溅射后返回样品的Ｆｅ原子之间会发生相互作用 ,形成化合物ＦｅＴｉ相和Ｆｅ3Ｎ相而沉积在试样表面。涂层Ｘ射线衍射图谱中有两个相的衍射峰。少数高能量Ｔｉ离子及Ｎ离子可以注入到样品表层区 ,它们可以固溶在Ｆｅ晶格中 ,也可以与Ｆｅ形成合金相。另外 ,入射的高能离子在轰击样品表面时会与表层原子发生碰撞 ,被撞原子又可以去碰撞其它原子形成连级碰撞 ,碰撞原子的运动方向是无规则的 ,这样在连级碰撞过程中 ,某些表层原子可能进入内部即形成反冲注入。高能离子对表面的轰击一方面可以清洗活化表面 ,进行自加热 ,同时也会造成表层区的高密度缺陷 ,如空位、间隙原子、位错等 ,这些高密度缺陷将大大提高原子的扩散速率。Ｔｉ原子可以通过空位、位错向内部扩散 ,Ｎ原子也可以通过间隙和位错向内部扩散 ,从而形成过渡层 ,而过渡层存在最主要的作用是改善界面性能 ,降低内应力 ,从而提高结合力<6 >。而硬质膜沉积到软的基体上 ,镀层很容易发生开裂<7>。因此 ,沉积温度不同可以影响过渡层的尺寸 ,电镜的能谱分析和波谱分析也进一步证实了当沉积温度由 2 50℃增加到 50 0℃时 ,过渡层中Ｔｉ渗入深度由原来的 2 .5μｍ增加到 3.5μｍ ,Ｎ原子渗入深度最大可达到 80 μｍ。 2号试样的能谱分析图及波谱分析图见图 3。而这样一个扩散层使涂层与基体的结合更加紧密。同时随温度的增加 ,ＴｉＮ涂层易于在(ａ)能谱照片 (ｂ)波谱照片 (ｃ)电镜照片图 3 2号试样的能谱、波谱及电镜照片涂层表面形核并可发生外延生长 ,形成择优取向 ,使结合力增加<8>。但是沉积温度过高使表面产生过热导致基体材料组织恶化 ,硬度降低 ,必然也导致与其相配的涂层的性能降低 ,导致结合力下降。显然增加温度 ,有利于Ｔｉ原子和Ｎ原子向基体内部的扩散 ,增加过渡层尺寸 ,从而显著提高涂层结合力。涂层结合力是涂层性能中最重要的指标 ,涂层硬度高、结合力好其性能才最佳 ,才能显著提高刀具的使用寿命。 50 0℃时在丝锥 (ＢＤ30 -3)上沉积ＴｉＮ ,其耐用度提高三倍。4 结论( 1 )沉积温度对ＴｉＮ涂层的硬度有影响 ,在50 0℃时沉积ＴｉＮ涂层的硬度最高。( 2 )沉积温度对ＴｉＮ涂层的结合力有影响 ,在50 0℃时沉积ＴｉＮ涂层的结合力最高。( 3)在 50 0℃时沉积的刀具具有最好的使用性能 ,其耐用度可提高三倍。多弧离子镀沉积温度对TiN涂层性能的影响$武汉汽车工业大学@孙伟
$武汉汽车工业大学@宫秀敏
$武汉汽车工业大学@叶卫平
$武汉汽车工业大学@张覃轶
$东风汽车公司@朱小清TiN涂层;;沉积温度;;结合力在多弧离子镀设备上沉积了TiN涂层 ,研究了不同沉积温度下TiN涂层的表面硬度及与基体的结合力。实验结果表明 ,在保证基体材料不过热的前提下提高沉积温度 ,有利于提高TiN涂层的性能。1 U .Helmerssonetal.J .Vac .Sci.Technol,A .1 985,3( 2 )
2 周平南等 .材料改性表面硬度测试时临界载荷的确定 .热加工工艺 ,1 993( 3)
3 王福贞等 .表面沉积技术 .北京 :机械工业出版社 ,1 993.
4 D .S .RickerbyandS .J.Bull.EngineeringwithSurfaceCoatings:TheRo leofCoatingMicrostructrue.Surf.Coat.Technol.1989,39/40
5 汪泓宏等编 .离子束表面强化 .北京 :机械工业出版社 ,1 992 .
6 C .C .Chengetal.CorrelationofInterfaceStructurewithAdhesiveStructureofIon platedTiNHardCoatings.Surf.Coat.Technol.,1 989,39/ 40
7 许俊华等 .等离子氮化与物理气相沉积TiN复合镀研究现状 .机械工程材料 ,1 998( 6)
8 宫秀敏等 .TiN中的择优取向对涂层质量的影响 .机械工程材料 ,2 0 0 0 ( 1 )凶约尤?,同时也会造成表层区的高密度缺陷 ,如空位、间隙原子、位错等 ,这些高密度缺陷将大大提高原子的扩散速率。Ｔｉ原子可以通过空位、位错向内部扩散 ,Ｎ原子也可以通过间隙和位错向内部扩散 ,从而形成过渡层 ,而过渡层存在最主要的作用是改善界面性能 ,降低内应力 ,从而提高结合力<6 >。而硬质膜沉积到软的基体上 ,镀层很容易发生开裂<7>。因此 ,沉积温度不同可以影响过渡层的尺寸 ,电镜的能谱分析和波谱分析也进一步证实了当沉积温度由 2 50℃增加到 50 0℃时 ,过渡
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