李守英 *，李全安，戴景杰，莊蕾

（1.青島濱海學(xué)院，山東 青島 266555；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471003）

紡織機的工況環(huán)境濕度大，剪刀刃部區(qū)對紡線進(jìn)行高頻次的剪切載荷和剪刀鉸接區(qū)相互摩擦運動造成剪刀的磨損和腐蝕。紡織剪刀大多選用高硬度的高速鋼，采用多次復(fù)雜的熱處理工藝以提高材料的抗磨損性能，但仍不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)抗磨蝕、抗腐蝕、 高效率的需求。多弧離子鍍技術(shù)是離子鍍技術(shù)的一種改進(jìn)方法，它是把弧光放電作為金屬蒸發(fā)源的表面涂層技術(shù)。多弧離子鍍技術(shù)具有鍍膜速度高，膜層致密度大，膜附著力好等特點[1-2]。本文對紡織剪刀用W9Mo3Cr4V 鋼采用多弧離子鍍技術(shù)進(jìn)行表面鍍TiN的研究，分析了TiN 鍍膜對紡織刀片耐磨以及抗腐蝕性能的影響及其作用機理。

1 實驗

1.1 鍍膜制備

將多個紡織剪刀懸掛在MIP-4-650 型多功能離子鍍真空爐的試樣臺上，弧靶為鈦(純度為99.99%)，抽真空后充氮氣到4 × 10-1Pa，加偏壓500 V，調(diào)占空比70%，鍍膜時間20 min。

1.2 耐磨及抗蝕性能測試

分別對鍍膜前后試樣進(jìn)行耐磨性能以及抗腐蝕性能測試。耐磨性能采用MS-T3000 型摩擦磨損試驗機測試，加載載荷500 kg，加載時間1 min?？垢g性能測試采用CS-350 型電化學(xué)工作站以及開口式三電極測試系統(tǒng)，其中研究電極為測試試樣(裸露表面10 mm × 10 mm)，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極，掃描速率為1 mV/s，腐蝕液為3% NaCl 溶液。

1.3 微觀分析

用JSM-5610LV 掃描電鏡觀察刀片鍍膜后的截面處鍍層厚度以及界面結(jié)合狀況。鍍膜試樣在D-500 型X 射線衍射儀上測試合金的物相結(jié)構(gòu)，射線源為CuKa1，電流為40 mA，掃描速率為2°/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層的物相分析及微觀形貌

圖1為多弧離子鍍TiN 薄膜的XRD 圖譜。可見鍍膜由大量TiN 與少量Fe2Ti 物相組成。TiN 屬于典型的面心立方點陣，晶格常數(shù)為0.423 8 nm。晶粒直徑按Debye-Scherrer 公式[3]計算：

Dhkl= Kβ / (λsinθ)。式中Dhkl為晶粒直徑，K 為晶粒的形狀因子(一般取0.94)，λ 為輻射波長，β 為半峰寬，θ 為Bragg 角。取晶面(111)的Dhkl值作為晶粒的直徑。經(jīng)計算，TiN 薄膜的平均粒徑為35.4 nm，晶粒細(xì)小。

圖1 TiN 薄膜的XRD 譜圖Figure 1 XRD pattern of TiN thin film

圖2為鍍TiN 薄膜后在界面處掃描電鏡的觀察結(jié)果。圖片明顯分為三部分，上部為鑲嵌試樣用膠木粉，中間光亮層為TiN 薄膜，下部為基體刀片。TiN 薄膜是一結(jié)構(gòu)致密、微晶均勻分布的平整表面，鍍層厚度均勻，約為9.07 μm。該試樣經(jīng)過硝酸酒精腐蝕，TiN薄膜亮度很高，基體顏色暗說明TiN 薄膜抗腐蝕能力強。由于多弧離子鍍薄膜是由蒸發(fā)原子凝聚或附著于基片上形成的，其內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)取決于靶材原子類型、蒸發(fā)原子間相互作用及其與基片之間相互作用等因素的影響[4-5]。實驗中W9Mo3Cr4V 基材上離子鍍TiN 薄膜生長主要是Ti 與N 的原子在基片上先凝聚，然后生長，繼續(xù)濺射Ti 原子凝聚起來生成三維的Ti 與N 的核；進(jìn)而Ti 與N 在表面上化合生成TiN 薄膜。離子鍍TiN 的界面之所以光滑平整，無明顯的過渡層，主要是因為Fe 與TiN 的晶格都具有面心立方的結(jié)構(gòu)[6]。

圖2 W9Mo3Cr4V 鋼鍍TiN 后的界面SEM 形貌Figure 2 SEM morphology of the interface between TiN coating and W9Mo3Cr4V steel substrate

2.2 鍍層的耐磨性能

圖3為鍍TiN 前后的W9Mo3Cr4V 鋼在磨損試驗中的摩擦因數(shù)隨時間變化的關(guān)系曲線。可以看出：磨損初期，鍍前試樣摩擦因數(shù)約為0.02；鍍TiN 后摩擦 因數(shù)約為0.1。隨著磨損時間的延長，兩試樣摩擦因數(shù)均增大：在0.6 min 內(nèi)，鍍前試樣摩擦因數(shù)平均值為0.5，磨損波動較大；鍍TiN 后摩擦因數(shù)平均值為0.2，磨損穩(wěn)定。磨損初期，鍍TiN 后摩擦因數(shù)較鍍前試樣的摩擦因數(shù)大，是由于鍍TiN 時離子的轟擊作用使試樣表面光潔度有所降低。磨損后期,鍍TiN 工藝的摩擦因數(shù)大幅度降低。這是由于試樣表面鍍TiN 處理后，表面生成了新相TiN，硬度提高使得磨損降低。

2.3 鍍層的耐腐蝕性能

圖4為試樣表面鍍TiN 膜前后于3% NaCl 溶液中測得的極化曲線，表1為測得的電化學(xué)腐蝕動力學(xué)參數(shù)。從圖4中可以看出，鍍TiN 前，試樣一直處于活化溶解狀態(tài)，未出現(xiàn)明顯的鈍化現(xiàn)象。鍍TiN 后，試樣在從-0.5 V 進(jìn)入鈍化區(qū)，鈍化區(qū)電流不穩(wěn)定，略有增加。可見鍍后形成的TiN 薄膜提高了試樣的耐腐蝕性能。兩種試樣鈍化區(qū)不顯著的原因在于電解液中存在大量的Cl-，Cl-半徑小，穿透能力強，易在電場作用下透過鈍化膜形成小孔，破壞鈍化膜的保護(hù)作用。金屬的鈍化能力隨著自腐蝕電位的降低、過鈍化電位的升高及腐蝕電流的減小而提高[7-10]。

圖4 W9Mo3Cr4V 鋼鍍TiN 前后在3% NaCl 溶液中的極化曲線Figure 4 Polarization curves for W9Mo3Cr4V steel before and after TiN platting in 3% NaCl solution

表1 電化學(xué)腐蝕測試結(jié)果Table 1 Results of electrochemical corrosion test

由表1可看出鍍膜TiN 后自腐蝕電位降低、過鈍化電位升高并且腐蝕電流減小。鍍TiN 前試樣的腐蝕速率是鍍后試樣的3 倍左右，可見鍍膜TiN 使合金的耐腐蝕性提高近2 倍。合金鍍TiN 后，其表面形成一層致密的保護(hù)膜，該保護(hù)膜能產(chǎn)生明顯鈍化現(xiàn)象，提高了合金的過鈍化電位，保護(hù)合金內(nèi)部免受腐蝕。這是合金耐腐蝕性能提高的主要原因。

3 結(jié)論

(1) 多弧離子鍍TiN 獲得的薄膜鍍層主要是TiN相結(jié)構(gòu)，鍍層均勻致密，界面處無明顯過渡。

(2) 穩(wěn)定磨損過程中，鍍TiN 薄膜可使摩擦因數(shù)從0.5 降至0.2。鍍TiN 薄膜大幅度提高了基體的抗磨損性能。

(3) TiN 薄膜是一層致密的保護(hù)膜，該保護(hù)膜能產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，提高了合金過鈍化電位，使得基體的抗腐蝕性能提高近2 倍。

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