溫雪龍, 韓鳳兵, 鞏亞東, 黃雄俊

(東北大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 沈陽 110819)

多弧離子鍍具有膜基結合力強、繞鍍性好等特點,被廣泛應用于刀具工具、醫(yī)療器械、汽車零件、航天等眾多領域,用來滿足產(chǎn)品的耐磨性、抗熱腐蝕性、抗氧化性等各種特殊性能要求.

近年來,國內外專家學者對多弧離子鍍膜技術及應用等方面進行了大量研究.Ali等[1]對比研究了通過多弧離子鍍膜技術制備的Zr-20%Cr和Zr-20%Ti合金薄膜的結構和腐蝕性能.Yousaf等[2]通過陰極多弧離子鍍成功獲得了TiAlN/MoN的多層薄膜,通過檢測發(fā)現(xiàn)其硬度和楊氏模量等都高于單層結構薄膜.Ahmad等[3]在不同氧氣流量下,采用多弧離子鍍在等離子氮化鋼基體上沉積AlCrON涂層,涂層表面粗糙度隨氧氣流量的增加而增加,硬度和彈性模量隨著氧含量的增加而降低.Zhao等[4]研究了軸向磁場對電弧離子鍍沉積CrN薄膜組織性能的影響,發(fā)現(xiàn)軸向磁場對化學成分、微觀結構、表面形貌、硬度和膜/基電弧離子鍍沉積CrN薄膜的附著力影響較大.Zhao等[5]采用新型多弧離子鍍和直流磁控濺射集成技術制備了Al,C共摻雜 δ-TiN薄膜,δ-TiN薄膜的三明治狀梯度結構改變了δ-TiN基體的柱狀晶體性質并產(chǎn)生細晶粒,最終產(chǎn)生異相復合結構.Qiu等[6]考察了多弧離子鍍合成的硬質鍍層在結合力上的殘余應力.結果表明,硬質涂層的殘余應力對加工條件有很強的依賴性,表現(xiàn)為提高偏壓或降低工作壓力.盡管多弧離子鍍膜技術及其應用日趨成熟,但是目前關于不同沉積時間對微磨具表面涂層性能的影響還未見系統(tǒng)報道.傳統(tǒng)的金剛石微磨具受到高頻沖擊使金剛石磨粒易脫落,采用多弧離子鍍膜方法在電鍍金剛石微磨具表面制備涂層,使金剛石磨粒與涂層之間發(fā)生界面反應產(chǎn)生冶金結合,同時涂層與結合劑之間相互滲透從而提高涂層的結合力,能更好地包裹金剛石磨粒.

本文通過微磨具制備與涂層物相分析以及單因素鍍膜實驗,分析不同沉積時間的涂層XRD物相組成,研究沉積時間對涂層形貌的影響,以及摩擦系數(shù)與粗糙度隨沉積時間的變化規(guī)律,探討沉積時間對涂層厚度的影響規(guī)律,選出合理的沉積時間制備涂層.實驗結果為涂層微磨具制備、減緩磨具磨粒脫落提供理論參考和實驗依據(jù).

1 微磨具制備與涂層物相分析

1.1 真空多弧離子鍍膜原理

多弧離子鍍是在真空的條件下,利用氣體放電使工作氣體或被蒸發(fā)物質(膜材)部分離化,在工作氣體離子或被蒸發(fā)物質的離子轟擊作用下,把蒸發(fā)物或其反應物沉積在被鍍基片表面形成涂層.陰極離子鍍是真空離子鍍的一種,冷陰極真空弧光放電是多弧離子鍍的理論基礎,據(jù)此理論,場發(fā)射電子以及正離子流是電量遷移的主要機制,且這兩種機制并存并互相制約.在這個放電的過程中,陰極靶材不斷蒸發(fā),這些蒸發(fā)的靶材原子被電離在離靶面很近的上方形成空間電荷云,產(chǎn)生很強的電場,在這種強電場的作用下,電子從金屬的費米能級溢出到真空,形成“場電子發(fā)射”.

真空多弧離子鍍膜示意圖如圖1所示,陰極靶由被鍍材料制成,帶有幾十安培電流的觸發(fā)電極與陰極靶面接觸,并迅速脫離瞬間引發(fā)電弧,觸發(fā)放電后會在陰極產(chǎn)生弧斑,弧斑處局部金屬被蒸發(fā)并電離形成高電流密度的等離子體.等離子體主要由電子、正離子以及中性金屬蒸氣原子等所組成,其電離化的過程如圖2所示.引弧放電在靶材表面產(chǎn)生大量弧斑,由于陰極弧斑的高能流密度使靶材表面的固態(tài)金屬熔化，形成大量微小金屬熔池使靶材金屬快速蒸發(fā),被陰極表面強電場加速的電子以極高的速度離開陰極表面,由于電子相較于金屬粒子輕得多,所以飛離的速度也高得多.當電子與中性原子發(fā)生碰撞時會使中性原子電離,因此在陰極表面會形成正的空間電荷云.陰極表面的強電場也會使部分離子回歸陰極,經(jīng)離化的離子會導致陰極表面的溫度增加，同時由于離子的沖擊會使熔池中的液態(tài)金屬噴濺出來產(chǎn)生液滴.

圖1 多弧離子鍍膜示意圖Fig.1 Schematic of multi-arc ion plating

圖2 陰極靶面電離化過程示意圖Fig.2 Schematic of cathode surface ionization

真空多弧離子鍍膜過程中,入射離子的能量對鍍膜的成核和膜的生長及其性能都具有非常重要的影響.在鍍膜過程中,不僅存在粒子的沉積,還存在離子的反濺射產(chǎn)生的剝離作用.當粒子的沉積作用超過離子的反濺射產(chǎn)生的剝離作用時,薄膜才能沉積和生長.

多弧離子鍍膜過程中,轟擊的離子不僅有靶材金屬電離產(chǎn)生的離子，還包括附加氣體電離所產(chǎn)生的離子.因此,離子反濺射剝離的概率還取決于離子所攜帶能量的大小.當離子能量較低時,有助于沉積原子在基體表面的遷移,對提高沉積原子的附著力、改善膜的結構和性能有利.但是,離子的能量過高時,高能粒子的轟擊會使膜產(chǎn)生缺陷,使膜應力增加.

1.2 涂層微磨具的制備

制備Ti涂層微磨具的鍍膜參數(shù)為:真空室內氣壓0.43 Pa、氬氣流量80 cm3/s、真空室溫度為80 ℃、弧電流100 A、電磁線圈電壓20 V、沉積時間2.5 h.圖3為制備的未涂層微磨具、500#涂層微磨具、1000#涂層微磨具進行真空加熱并保溫處理后的形貌.由圖3可看出,不同粒度的金剛石微磨具都能制備涂層微磨具.將涂層微磨具制備好后進行XRD物相分析,探究不同沉積時間下涂層形貌、摩擦系數(shù)、表面粗糙度、厚度的變化規(guī)律.

圖3 制備的涂層微磨具的形貌Fig.3 Morphology of coated micro-grinding tools(a)—未涂層微磨具； (b)—500#涂層微磨具； (c)—1000#涂層微磨具.

1.3 涂層XRD物相分析

根據(jù)金剛石的化學性質及其與各類金屬之間的化學作用和化合物形成規(guī)律可知,只有碳化物形成元素如鈦、鉻、鎢、鉬等才有可能與金剛石形成較強的化學冶金結合,而這些元素中應用最普遍的是鈦.對于金剛石而言，鈦具有強的化學活性和擴散能力,在合適的溫度、保溫時間等工藝條件下,鈦鍍層能和金剛石發(fā)生界面反應,形成穩(wěn)定的化學鍵合的碳化鈦層.采用多弧離子鍍的方式進行鈦膜鍍覆,然后進行真空加熱并保溫處理,研究鈦涂層包裹金剛石磨粒在加熱保溫處理過程中發(fā)生的界面反應的產(chǎn)物.

采用多弧離子鍍方法對金剛石磨粒表面鍍覆金屬鈦后,鈦會進入到金剛石磨粒表面的微小空穴、裂紋和其他缺陷處,并由毛細管力的作用使其滲入并填滿這些缺陷,通過這種金剛石磨粒表面缺陷的彌合作用使金剛石顆粒得到強化.加熱處理過程中,鈦能和金剛石顆粒逐漸發(fā)生界面反應生成碳化鈦,使鍍覆層與金剛石之間形成冶金結合從而提高金剛石的強度,當加熱溫度達到880 ℃時,金剛石顆粒的靜壓強度達到最大值;而后,當加熱溫度繼續(xù)升高到920 ℃后,鈦膜會被氧化生成氧化鈦,鈦涂層與金剛石之間的冶金結合力消失[7-8].

鈦涂層與金剛石顆粒發(fā)生界面反應的過程中,相互滲透的反應物首先是以點狀形式析出,隨著保溫時間的增加,反應物會逐漸長大成雪花狀并以樹枝狀沿界面生長.為了通過膜層更好地把持金剛石磨粒,以提高微磨具的使用壽命,將鍍完鈦膜的樣片先在真空加熱設備中(低于1×10-3Pa)加熱到880 ℃并保溫2 h，然后隨爐冷卻.圖4～圖6分別為沉積時間為2.5,3.0,3.5 h的樣片通過XRD檢測的結果,圖7為樣片斷面線掃結果.

圖4 沉積時間2.5 h XRD檢測結果Fig.4 Results of XRD detection after 2.5 hour deposition

圖5 沉積時間3.0 h XRD檢測結果Fig.5 Results of XRD detection after 3 hour deposition

圖6 沉積時間3.5 h XRD檢測結果Fig.6 Results of XRD detection after 3.5 hour deposition

由圖4可知,XRD檢測結果中并無Ti與C的化合物生成,這可能是由于涂層太薄,X射線具有一定的穿透能力,因而涂層厚度達不到XRD的檢測精度要求,故檢測不到涂層中的化合物.但是由圖7可清晰看到Ti與C在10～12 μm處有重疊部分,這可能是由于金屬鈦涂層與金剛石發(fā)生了界面反應,因此在線掃描結果中兩種元素在該部分有元素重疊現(xiàn)象.但是金屬鈦涂層與金剛石是否在真空加熱到880 ℃并保溫2 h的情況下發(fā)生界面反應生成碳化鈦,還需要進一步檢測.

圖7 沉積時間2.5 h斷面線掃描分析Fig.7 Section line scan analysis after 2.5 hourdeposition

由圖5和圖6可知,將樣品置于真空爐中加熱到880 ℃并保溫2 h后,分別出現(xiàn)了Ti8C5和Ti6C3.75的衍射峰,說明金剛石與金屬鈦膜發(fā)生了界面反應,生成了Ti-C的化合物.反應物為何不是TiC,推測是由于Ti為強碳化物元素,高溫下金剛石磨粒與金屬鈦膜發(fā)生了界面反應生成了TiC,屬于固相擴散反應,反應不均一造成金屬Ti的局部過量,過量的Ti與TiC反應生成了非化學計量比1∶1的碳化鈦,如Ti8C5產(chǎn)物.滲層內形成的Ti8C5這種高硬相碳化物無疑將對提高材料表面硬度、增強耐磨性起到重要作用.

XRD物相分析衍射峰中還出現(xiàn)了鈦的氧化物,可能是由于真空環(huán)境中殘留的極少量的氧元素與鈦元素發(fā)生了化學反應生成了Ti6O, 還檢測到C元素即電鍍金剛石磨粒,以及Ni元素即結合劑.除此之外XRD物相分析衍射峰中還出現(xiàn)了Ti和Ni的化合物,說明鈦涂層與結合劑之間發(fā)生了相互滲透,這也有利于提高金剛石磨粒與基體之間的結合力,使涂層更好地包裹金剛石磨粒,從而減緩金剛石的脫落，延長微磨具的使用壽命[9].

2 實驗條件與方案

2.1 實驗材料與設備

實驗材料為與微磨具磨頭相同的電鍍金剛石微磨具方形試件,如圖8所示.

圖8 未涂層試件Fig.8 Un-coated specimen

實驗采用多弧離子鍍膜設備和真空加熱爐,分別對試件進行鍍膜和加熱;采用VHX-1000E超景深顯微系統(tǒng)和法國STIL公司的三維表面輪廓儀分別用來檢測涂層的三維形貌和表面粗糙度.超景深顯微鏡最大放大倍數(shù)為5 000倍,三維表面輪廓儀最小采樣步長為0.5 μm;采用MS-T3000型球盤式旋轉摩擦磨損試驗機來測量摩擦系數(shù);采用Ultra Plus型場發(fā)射分析掃描電鏡(EDS)和X’Pert Pro型多晶X射線衍射儀(XRD)分別對鍍膜進行線掃描斷面分析和物相分析,實驗設備如圖9所示.

圖9 實驗設備Fig.9 Experimental equipment(a)—多弧離子鍍膜機； (b)—真空加熱設備.

2.2 實驗方案

本實驗選擇不同沉積時間做單因素實驗進行鍍膜,分析不同沉積時間的涂層XRD物相組成,探究不同沉積時間下涂層形貌、摩擦系數(shù)、表面粗糙度、厚度的變化規(guī)律.鍍膜后加熱到880 ℃并保溫2 h后,通過觀察表面形貌以及檢測摩擦系數(shù)、表面粗糙度、涂層厚度等方式來確定最優(yōu)的沉積時間,并以最優(yōu)沉積時間進行微磨具的制備.多弧離子鍍膜實驗參數(shù)如表1所示,真空室內氣壓0.43 Pa、氬氣流量80 cm3/s、真空室溫度 70 ℃.

表1 多弧離子鍍膜實驗參數(shù)Table 1 Parameters of multiarc ion plating coating

3 實驗結果分析

3.1 沉積時間對涂層形貌的影響

隨著沉積時間的增加,涂層厚度會不斷增加,但是對于涂層微磨具,涂層厚度過厚會使刀具變鈍不利于涂層微磨具切削工件,因此選擇適合的沉積時間對制備微磨具非常重要.本實驗中選取沉積時間為1.5～3.5 h.

圖10和圖11是磨粒200#與500#試件在不同沉積時間的形貌,當沉積時間為1.5 h時,部分金剛石裸露在涂層外,涂層未能完全包裹金剛石磨粒,此時沉積時間過短涂層過薄.而圖中500#磨粒沉積3.5h的試件,涂層覆蓋了部分出刃高度較低的金剛石磨粒,此時涂層過厚會影響涂層微磨具的容屑空間,也不利于微磨具切削工件,因此要控制真空離子鍍膜的沉積時間.

圖10 磨粒200#試件形貌Fig.10 Morphology of 200# sample after coating(a)—未鍍涂層; (b)—沉積時間1.5 h; (c)—沉積時間2.5 h; (d)—沉積時間3.5 h.

圖11 磨粒500#試件形貌Fig.11 Morphology of 500# sample after coating(a)—未鍍涂層; (b)—沉積時間1.5 h; (c)—沉積時間2.5 h; (d)—沉積時間3.5 h.

3.2 沉積時間對涂層摩擦系數(shù)的影響

由圖12可知,磨粒500#試件摩擦系數(shù)比200#試件略大,500#與200#試件摩擦系數(shù)變化趨勢幾乎一致,都隨沉積時間的增加不斷增大,500#試件摩擦系數(shù)從0.382增大到0.454,200#試件摩擦系數(shù)從0.323增大到0.424.這是由于膜層厚度不斷增加,當涂層完全包裹金剛石磨粒后,電鍍金剛石的試件在與鈉鈣玻璃球對磨的過程中,由于金剛石磨粒的磨削刃被包裹使磨削刃鈍化,導致對磨的磨削力也不斷增加,因此隨磨削力不斷增加摩擦系數(shù)也不斷增大.

圖12 摩擦系數(shù)隨沉積時間的變化曲線Fig.12 Curves of friction coefficient with the deposition time

3.3 沉積時間對涂層表面粗糙度的影響

圖13為粗糙度隨沉積時間的變化曲線.由圖13可知,磨粒200#試件粗糙度大于500#試件,200#與500#試件粗糙度變化趨勢幾乎一致,都隨著沉積時間的增加逐漸降低,200#試件粗糙度從6.08 μm降低到3.88 μm,500#試件粗糙度從2.64 μm降低到1.55 μm.這是由于金剛石表面成膜速率比結合劑層的成膜速率低,因此磨粒出刃高度逐漸減小,表面粗糙度逐漸減小.

圖13 粗糙度隨沉積時間的變化曲線Fig.13 Curves of roughness with the deposition time

3.4 沉積時間對涂層厚度的影響

沉積時間直接影響涂層的厚度,沉積時間短涂層厚度太薄從而達不到通過鈦膜的包裹增加對金剛石磨粒把持力的作用,但是涂層厚度過厚又會影響金剛石磨粒磨削刃的切削作用.所以要得到合適的涂層厚度就要確定合適的鍍膜時間.為了研究合適的沉積時間,選取了鍍膜參數(shù)為:真空室內氣壓0.43 Pa、氬氣流量80 cm3/s、負偏壓為100V、弧電流為90A、真空室溫度為70℃、電壓為40 V,沉積時間分別為1.5,2.0,2.5,3.0,3.5 h.圖14和圖15是不同沉積時間的斷面形貌.

圖14 涂層覆蓋結合劑斷面形貌Fig.14 Section morphology of binder covered by coating(a)—沉積1.5 h; (b)—沉積2.0 h; (c)—沉積2.5 h; (d)—沉積3.0 h; (e)—沉積3.5 h.

圖15 涂層覆蓋金剛石磨粒斷面形貌Fig.15 Section morphology of diamond grinding particles covered by coating(a)—沉積1.5 h; (b)—沉積2.0 h; (c)—沉積2.5 h; (d)—沉積3.0 h; (e)—沉積3.5 h.

涂層厚度隨沉積時間的變化曲線如圖16所示.由圖16可知,隨著沉積時間的增加涂層厚度逐漸增大,從2.5 μm逐漸增加到7.5 μm.這是由于隨著沉積時間的增加,基體表面沉積的靶材增加使涂層厚度不斷增大,由實驗數(shù)據(jù)可得該多弧離子鍍膜設備平均沉積速率為2.1～2.2 μm/h.

圖16 涂層厚度隨沉積時間的變化曲線Fig.16 Change of coating thickness with deposition time

4 結 論

1) 利用真空多弧離子鍍膜和真空加熱的方法成功制備碳化鈦涂層微磨具,通過涂層XRD物相分析,涂層包裹微磨具表面磨粒效果良好,鈦涂層與金剛石顆粒之間發(fā)生界面反應生成Ti-C化合物,該化合物可提高金剛石顆粒表面硬度,對增強微磨具耐磨性起到重要作用.

2) 沉積時間過短時,涂層未能完全包裹金剛石磨粒,涂層過薄;沉積時間過長時,涂層覆蓋了部分出刃高度較低的金剛石磨粒,此時涂層過厚會影響涂層微磨具的容屑空間,不利于微磨具切削工件.

3) 隨著沉積時間的增加,摩擦系數(shù)不斷增大,且磨粒500#與200#試件摩擦系數(shù)變化趨勢大致相同,500#試件摩擦系數(shù)比200#試件略大;隨著沉積時間的增加,粗糙度逐漸降低,且磨粒200#與500#試件粗糙度變化趨勢幾乎一致,200#試件粗糙度大于500#試件;隨著沉積時間的增加,涂層厚度會逐漸增加,其平均沉積速率為2.1～2.2 μm/h.