張 鈞, 王 宇, 豐 宇

(沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

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(CrTiNb)N多組元硬質(zhì)反應(yīng)膜的力學(xué)性能

張 鈞, 王 宇, 豐 宇

(沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

采用多弧離子鍍技術(shù),通過Ti-Nb合金靶與Cr單質(zhì)靶組合,在高速鋼基體上制備了(CrTiNb)N單層硬質(zhì)反應(yīng)膜和復(fù)合硬質(zhì)反應(yīng)膜.利用掃描電鏡、X射線衍射儀對(duì)膜層表面、斷面形貌、成分、相結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察測(cè)定;系統(tǒng)考察了膜層的顯微硬度、膜/基附著力、摩擦磨損等力學(xué)性能;討論了沉積工藝和Nb元素的添加對(duì)膜層組織和性能的影響作用,揭示了(CrTiNb)N復(fù)合硬質(zhì)反應(yīng)膜可以實(shí)現(xiàn)硬度、附著力、耐磨性能的綜合優(yōu)化.

(CrTiNb)N; 顯微硬度; 附著力; 摩擦磨損

近年來,隨著各種PVD、CVD技術(shù)的不斷完善,硬質(zhì)膜的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展.就膜層成分來看,已經(jīng)從單一的金屬氮化物膜發(fā)展為多組元氮化物、多組元碳化物、碳氮化物、氮氧化物等;就膜層結(jié)構(gòu)形式而言,已經(jīng)從單層硬質(zhì)膜發(fā)展為雙層硬質(zhì)膜、成分梯度膜,納米多層膜等;這些膜層成分和結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn),主要改善了硬質(zhì)膜的高溫抗氧化性、耐磨性、硬度等力學(xué)和物理化學(xué)性能[1-5].目前,除了常規(guī)的Ti、Al、Cr等元素外,更多的元素、更為復(fù)雜的膜層結(jié)構(gòu)形式也引起了硬質(zhì)膜研究領(lǐng)域極大的興趣.

作為一種過渡族金屬元素的氮化物,NbN薄膜具有耐磨性能好、硬度高等特點(diǎn).在TiN膜層中添加Nb組元獲得的(TiNb)N膜層在硬度以及摩擦磨損性能方面的改善已經(jīng)為一些實(shí)驗(yàn)研究所證實(shí)[2,6].因此,研究Nb元素在三組元氮化物中的作用將會(huì)有積極的意義.

本研究采用Ti-Nb(x(Ti)∶x(Nb)=75∶25)合金靶及Cr單質(zhì)靶的組合方式制備(CrTiNb)N單層硬質(zhì)反應(yīng)膜及復(fù)合硬質(zhì)反應(yīng)膜,探索Nb元素的添加對(duì)(CrTiNb)N膜層沉積工藝、膜層組織以及力學(xué)性能的影響作用,同時(shí)對(duì)單層膜和復(fù)合膜進(jìn)行比較分析,進(jìn)而尋求力學(xué)性能優(yōu)化途徑與方法.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 (CrTiNb)N硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備

(Cr,Ti,Nb)N硬質(zhì)反應(yīng)膜的沉積試驗(yàn)設(shè)備選用MAD-4B型多弧離子鍍膜機(jī),鍍膜基材選用商用高速鋼W18Cr4V拋光試樣.采用Ti-Nb(x(Ti)∶x(Nb)=75∶25)合金靶及Cr單質(zhì)靶組合方式作為陰極弧源靶,選用兩個(gè)不同高度、不同方位且成90°配置的弧源靶同時(shí)起弧.

通過沉積工藝的調(diào)整實(shí)現(xiàn)兩種膜層構(gòu)成方式,以便對(duì)比研究.首先,在背底真空度達(dá)到1.3×10-2Pa,溫度達(dá)到160 ℃時(shí)通入氬氣,使真空室內(nèi)壓強(qiáng)維持在(2.0～2.2)×10-1Pa,開啟兩弧源,保持弧電流在55～56 A,偏壓從350 V逐漸增加到400 V,進(jìn)行離子轟擊約12 min;然后通過調(diào)整氣體壓強(qiáng),分別獲得(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復(fù)合膜,具體見表1中的工藝1和工藝2.沉積偏壓選擇為100、150和200 V.

1.2 膜層組織與性能測(cè)試

(CrTiNb)N硬質(zhì)反應(yīng)膜膜層表面、斷面形貌以及膜層表面成分采用HITACHIS - 3400N掃描電鏡(能譜)進(jìn)行分析;膜層相結(jié)構(gòu)分析采用X射線衍射儀.表面硬度采用HXD-1000TMB/LCD型顯微硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試,載荷9.8 mN,載荷保持時(shí)間20 s.附著力采用WS-2005膜層附著力自動(dòng)劃痕儀進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)載荷200 N,加載速率100 N/min,劃痕長(zhǎng)度4 mm,劃痕速率2 mm/min,劃痕方式為單往復(fù)運(yùn)動(dòng).

摩擦磨損性能采用HT-500型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試完成.對(duì)磨材料為SiC陶瓷球.試驗(yàn)設(shè)定加載載荷為11.27 N,頻率為10 Hz,樣品滑動(dòng)圓周半徑分別設(shè)定為2.5 mm和5 mm,以便比較滑動(dòng)速率的影響;試驗(yàn)溫度為室溫,約20 ℃,加載時(shí)間為8 min,摩擦系數(shù)范圍:0～1.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 (CrTiNb)N硬質(zhì)膜表面形貌與成分

(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復(fù)合膜的表面液滴數(shù)量均非常少且尺寸很小[7],相比之下容易發(fā)現(xiàn),在相同偏壓下,(CrTiNb)N復(fù)合膜的表面液滴均多于(CrTiNb)N單層膜,如圖1所示.

圖1 (CrTiNb)N單層膜及復(fù)合膜表面形貌

在不同偏壓下的(CrTiNb)N單層膜沉積過程中,盡管N2氣體分壓的控制是一致的,然而膜層表面的N含量仍然表現(xiàn)為隨著偏壓的增高而有所下降,Ti與Nb元素的含量隨著偏壓的增大而逐漸減小,Cr元素含量隨偏壓的增大而增大;同樣的成分變化趨勢(shì)也存在于(CrTiNb)N復(fù)合膜,如表2所示.

與弧源合金靶材的成分相比,膜層中Ti與Nb的原子百分比明顯高于合金靶材中Ti與Nb的原子百分比,并且隨著偏壓的增大,膜層中的Ti與Nb的原子百分比逐漸增大,符合由于使用合金靶材而引起的“成分離析”現(xiàn)象特征[8],盡管尚未有關(guān)于使用TiNb合金靶的成分離析規(guī)律的報(bào)導(dǎo),但由本試驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè),Nb元素的離化率低于Ti元素的離化率.

表2 不同偏壓下(CrTiNb)N膜的化學(xué)成分

2.2 (CrTiNb)N硬質(zhì)膜斷面形貌與N分布

在常溫下采取沖擊斷裂方式獲得的(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復(fù)合膜膜層斷面,如圖2所示,均呈現(xiàn)柱狀晶特征,膜層厚度隨偏壓增大無明顯變化, (CrTiNb)N單層膜膜層厚度約0.9 μm,(CrTiNb)N復(fù)合膜膜層厚度約為1.0 μm.

圖2 (CrTiNb)N單層膜及復(fù)合膜斷口形貌

對(duì)于單層膜,由于沉積過程中沒有N2氣壓的變化,膜層成分在膜層厚度方向上是基本一致的;對(duì)于復(fù)合膜,沉積過程中N2氣體壓強(qiáng)從0到3.0×10-1Pa分三個(gè)階段增加,因此在膜層中的N含量隨著膜層生長(zhǎng)而逐漸增大,如圖3所示.同時(shí)發(fā)現(xiàn),Ti、Cr元素在膜層生長(zhǎng)方向上的分布基本不變,Nb元素在接近膜層表面略有減少.

圖3 (CrTiNb)N復(fù)合膜中的N分布

不同偏壓下制備的(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復(fù)合膜的X射線衍射圖如圖4所示.(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復(fù)合膜均具有典型的TiN型面心立方結(jié)構(gòu)(B1型NaCl),并且均呈現(xiàn)(111)面擇優(yōu)生長(zhǎng)取向.不同偏壓下,膜層的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向未發(fā)生改變,這與(TiNb)N膜層的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向是一致的,本試驗(yàn)中(CrTiNb)N膜層中N摩爾分?jǐn)?shù)超過50%,易于保持(111)面生長(zhǎng)[9].

在(CrTiNb)N膜層中,Cr、Nb原子取代了晶胞中部分Ti原子的位置形成置換固溶體,由于Cr原子半徑小于Ti原子半徑,Nb原子半徑大于Ti原子,而Cr含量遠(yuǎn)高于Nb含量,導(dǎo)致了(CrTiNb)N相的衍射峰向大角度方向偏移(與TiN衍射峰相比).

2.3 膜層附著力與硬度

不同偏壓下(CrTiNb)N單層膜與復(fù)合膜的顯微硬度如表3所示.在相近成分下,與(Ti,Cr)N、(Ti,Nb)N等單層膜相比,(CrTiNb)N單層膜的顯微硬度有所提高;而(CrTiNb)N復(fù)合膜的顯微硬度高于(CrTiNb)N單層膜.

對(duì)于TiAlN、TiCrN、TiZrN等二元合金的氮化物硬質(zhì)反應(yīng)膜而言,Al、Cr、Zr等第二組元原子是以置換的方式存在于膜層的點(diǎn)陣中,由于它們與Ti在原子半徑上的差異,使得這些膜層晶格發(fā)生畸變,引起膜層硬度的提高.在(Cr,Ti,Nb)N膜層中Cr、Nb組元的添加,置換TiN晶格中部分Ti原子而引起晶格畸變,進(jìn)而提高膜層硬度[10-11].

圖4 不同偏壓下(CrTiNb)N硬質(zhì)膜的X射線衍射圖

(CrTiNb)NI/ACrTiNb沉積偏壓/V顯微硬度/HV(0.01)附著力/N單層膜50551003100±200>1201503150±200>1202003000±200>120復(fù)合膜50551003400±200>2001503450±200>2002003450±200>200

(CrTiNb)N復(fù)合膜的結(jié)合力均大于200 N,明顯高于(CrTiNb)N單層膜,這可以歸因于整個(gè)膜層結(jié)構(gòu)組成的優(yōu)化,即,在沉積反應(yīng)膜之前,預(yù)先沉積了一薄層CrTiNb金屬膜,能夠增強(qiáng)膜層與基體之間的結(jié)合;其次,在沉積反應(yīng)膜的過程中通過逐漸增大氮?dú)夥謮?以使膜層呈現(xiàn)一定的成分梯次變化,由金屬逐步過渡到氮化物;此外,由于只用兩個(gè)弧源進(jìn)行鍍膜,在鍍膜過程中沉積溫度沒有提升,也降低了膜層生長(zhǎng)熱應(yīng)力.

2.4 膜層的摩擦磨損性能

(CrTiNb)N反應(yīng)膜在不同旋轉(zhuǎn)半徑(2.5 mm、5 mm)下進(jìn)行摩擦試驗(yàn),旋轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定了膜層表面與SiC球之間相對(duì)滑動(dòng)速度.半徑越大,速度越快,對(duì)磨材料磨損加重,表現(xiàn)為磨痕上黑色粉末增多,摩擦磨損過程不穩(wěn)定.從(CrTiNb)N單層膜和復(fù)合膜的磨損表面形貌容易發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)半徑的增大,導(dǎo)致膜層摩擦后磨痕形貌較寬,磨損軌跡有一定波動(dòng),150 V沉積偏壓下制備的(CrTiNb)N單層膜和100 V沉積偏壓下制備的(CrTiNb)N單層膜(CrTiNb)N復(fù)合膜的磨損形貌,見圖5.隨著偏壓的增大,(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復(fù)合膜的摩擦系數(shù)均降低,見圖6.

圖5 (CrTiNb)N膜層表面磨損形貌

圖6 (CrTiNb)N單層膜及復(fù)合膜的摩擦系數(shù)曲線

對(duì)比(CrTiNb)N單層膜摩擦試驗(yàn)后的磨痕形貌,(CrTiNb)N復(fù)合膜表現(xiàn)為膜層摩擦后磨損量較少,磨痕較淺,摩擦系數(shù)明顯降低,由此看出,(CrTiNb)N具有更優(yōu)的耐磨性能.

3 結(jié) 論

采用多弧離子鍍技術(shù)并使用鈦鈮合金靶和純鉻靶雙靶組合制備了(CrTiNb)N單層膜和復(fù)合膜,通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的討論分析,可以得出以下結(jié)論:在沉積偏壓100～200 V的范圍內(nèi),(CrTiNb)N單層膜和復(fù)合膜均為具有(111)面擇優(yōu)生長(zhǎng)取向的面心立方結(jié)構(gòu);與(CrTiNb)N單層膜相比,(CrTiNb)N復(fù)合膜具有更好的附著性能、更高的硬度以及更優(yōu)的耐磨性能,從而保證了硬度、膜/基結(jié)合力、耐磨性的同時(shí)實(shí)現(xiàn).

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【責(zé)任編輯: 趙 炬】

Mechanical Properties of (CrTiNb)N Multi-Components Hard Reactive Films

ZhangJun,WangYu,FengYu

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

(CrTiNb)N single-layer hard reactive films and (CrTiNb)N composite hard reactive films were prepared by multi-arc ion plating (MAIP) technology using the combination of Ti-Nb alloy target and Cr target. The high speed steel (HSS) was adopted as substrate. The surface and cross-fracture morphology, the surface compositions and the phase structures of the as-deposited films were observed and measured by scan electronic microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The mechanical properties including the micro-hardness, the adhesion between film and substrate, the friction and wear resistance of the as-deposited films were systemically investigated. The effects of deposition process and the addition of Nb element on the as-deposited films were discussed. It is revealed that the optimally comprehensive performances including the micro-hardness, the adhesion and also the friction can be achieved by the (CrTiNb)N composite hard reactive films.

(CrTiNb)N; micro-hardness, adhesion; frictional wear

2016-08-25

遼寧省科技基金資助項(xiàng)目(2015020216).

張 鈞(1966-),男,遼寧錦州人,沈陽大學(xué)教授,博士.

2095-5456(2016)05-0345-06

TB 43

A