電弧離子鍍制備TiN/TiSiN多層涂層及其性能研究*

劉怡飛 宋啟萌 李助軍 田燦鑫

(1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東廣州 510430；2.嶺南師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣東湛江 524048)

現(xiàn)代切削加工技術(shù)對(duì)切削刀具的性能及效率的要求都愈來(lái)愈高，而傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具由于磨損嚴(yán)重、使用壽命短已無(wú)法滿足現(xiàn)代切削加工的要求[1]。研究表明，各類切削刀具的失效大多都發(fā)生在其表面或者從表面開始失效，而采用表面涂層技術(shù)可以提高材料表面的硬度、潤(rùn)滑效果，從而提高切削刀具使用壽命。眾所周知，材料的損耗是由材料的磨損和腐蝕引起的[2-3]，而刀具表面涂層技術(shù)的出現(xiàn)極大地減少了刀具表面損傷，提高了使用壽命和切削效果[4-7]。

刀具表面涂層技術(shù)是利用物理或者化學(xué)方法，在刀具基體上涂覆一層高硬度、耐磨耐蝕性好、高溫穩(wěn)定性強(qiáng)的涂層材料，該能涂層明顯改良基體的性能和延長(zhǎng)其使用壽命[8-10]。將基體韌性和涂層的高硬度相結(jié)合，使得刀具可在惡劣的環(huán)境中工作，極大地?cái)U(kuò)展了刀具的應(yīng)用范圍。同時(shí)在加工各類零件時(shí)，使用涂層刀具可以降低各零件的加工時(shí)間，提高加工品質(zhì)，延長(zhǎng)使用時(shí)間。

目前，刀具涂層種類繁多，其中氮化物涂層(如TiN、CrN等)因其熔點(diǎn)高、硬度高、耐磨性良好，在刀具涂層中得到廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，TiN是僅有的商用型硬質(zhì)涂層原料，故大多數(shù)硬質(zhì)涂層的研究都聚焦在TiN涂層上[11-12]。但單一TiN涂層對(duì)切削工具的性能提升有限，使其在應(yīng)用中受到了極大限制[13]。20世紀(jì)90年代，多層涂層以及復(fù)合涂層的出現(xiàn)，極大地提高了TiN涂層的性能，拓展了其在工業(yè)上的應(yīng)用。本文作者采用電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼(M2)基體上制備厚度比分別為1∶2、2∶2、3∶1的TiN/TiSiN多層涂層，采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、顯微硬度計(jì)、多功能材料表面性能試驗(yàn)儀以及電化學(xué)工作站等對(duì)TiN/TiSiN多層涂層的微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)合力、硬度、摩擦磨損性能、磨痕形貌和耐腐蝕性能等進(jìn)行表征，并與TiN涂層的性能作對(duì)比。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料

涂層的制備采用AS600DMTXBE型陽(yáng)極層離子源輔助電弧離子鍍系統(tǒng)，其由真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和鍍膜室構(gòu)成，如圖1所示。在真空室的側(cè)壁上裝有4個(gè)圓形靶，靶電流在0～150 A內(nèi)可控。中間放置著繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)試樣架，并連接0～1 000 V、占空比0～90%可調(diào)的偏壓電源[14-15]。

圖1 電弧離子鍍膜系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of arc ion plating

試驗(yàn)所用的基體為高速鋼(M2)，表面進(jìn)行鏡面拋光處理。試驗(yàn)氣體為Ar(99.999%)、N2(99.999%)、H2(99.999%)，靶材為Ti(99.5%)、TiSi(原子比為95∶5)。

1.2 涂層制備方法

將高速鋼(M2)依次放入丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水中進(jìn)行超聲波清洗，烘干后裝夾在真空室中的工件卡盤上。對(duì)真空室抽真空至5×10-3Pa并升溫至450 ℃后，向鍍膜室充入Ar，真空室壓力控制在2 Pa，在-800 V、80%占空比偏置電壓下對(duì)試樣輝光30 min。在輝光清洗完成之后，將真空室氣壓約降到2×10-2Pa，在-800 V、80%占空比的偏壓下，將Ti靶點(diǎn)燃并且使弧電流為70 A，用高能金屬Ti離子轟擊工件15 min。轟擊結(jié)束后，關(guān)閉Ar，將偏壓降至-100 V，占空比80%不變，加入N2使真空室氣壓為0.7 Pa，開始沉積TiN過(guò)渡層。TiN沉積結(jié)束后，將真空室氣壓調(diào)節(jié)至1 Pa，關(guān)閉Ti靶，點(diǎn)燃TiSi靶，開始沉積TiSiN層。制備過(guò)程中，TiN層與TiSiN層厚度分別按1∶2、2∶2、3∶1調(diào)節(jié)。沉積完成后，關(guān)閉弧電源、偏壓電源、氣體、加熱器，待溫度降至100 ℃以下時(shí)，取出試片。

1.3 涂層測(cè)試分析

采用XL-30掃描電鏡、X射線衍射儀(XRD)分析涂層的形貌和結(jié)構(gòu)；采用HXD-1000TM/LCD型顯微硬度測(cè)試儀、MFT-4000多功能材料表面性能試驗(yàn)儀測(cè)試涂層的力學(xué)性能；采用MFT-4000往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)定涂層的摩擦學(xué)性能；采用CHI650E型電化學(xué)工作站對(duì)涂層進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層XRD分析

圖2所示為不同厚度比TiN/TiSiN多層涂層和TiN涂層的XRD圖譜。TiN涂層與TiN/TiSiN多層涂層都只有TiN相，具有(111)、(200)、(220)3個(gè)衍射峰。

圖2 TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN多層涂層XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of TiN coating and TiN/TiSiN multilayercoatings with different thickness ratios

與TiN/TiSiN多層涂層相結(jié)構(gòu)相比，TiN涂層沒(méi)有明顯的擇優(yōu)取向。隨TiN層與TiSiN層厚度比的增加，TiN/TiSiN多層涂層具有(111)擇優(yōu)取向，說(shuō)明TiN層與TiSiN層相對(duì)厚度的變化促進(jìn)了(111)衍射峰擇優(yōu)生長(zhǎng)，對(duì)涂層的晶粒生長(zhǎng)有一定的影響。隨TiN層與TiSiN層厚度比為1∶2時(shí)，TiN衍射峰的強(qiáng)度明顯較低，這是因?yàn)?∶2的涂層晶粒比較細(xì)小；而厚度比為2∶2時(shí)，TiN衍射峰的強(qiáng)度最高，表示涂層晶粒相對(duì)粗大。3種不同厚度比的多層涂層XRD圖譜均只有TiN相，而沒(méi)有明顯的TiSi和Si3N4晶相出現(xiàn)，說(shuō)明TiSi和Si3N4相是以非晶態(tài)形式存在[16]。

2.2 涂層結(jié)合力分析

圖3所示為TiN涂層和TiN/TiSiN涂層摩擦力隨載荷變化的曲線，通過(guò)曲線的斜率變化來(lái)評(píng)判膜基結(jié)合力[17]。第一個(gè)摩擦力曲線變化的點(diǎn)為臨界載荷Lc1，第二個(gè)摩擦力曲線變化的點(diǎn)為臨界載荷Lc2，Lc2定義為膜基結(jié)合強(qiáng)度。

圖3 TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN涂層摩擦因數(shù)隨加載力的變化Fig.3 Variation of friction coefficient of TiN coating and TiN/TiSiN multilayer coatings with different thickness ratioswith loading force：(a)TiN;(b)TiN/TiSiN(1∶2);(c)TiN/TiSiN(2∶2);(d)TiN/TiSiN(3∶1)

由圖3可知，TiN涂層的結(jié)合力為61 N，3種不同厚度比的TiN/TiSiN多層涂層的結(jié)合力分別為71、72、66 N。TiN/TiSiN多層涂層的結(jié)合力相比于TiN涂層的結(jié)合力要大，厚度比為2∶2時(shí)TiN/TiSiN多層涂層的膜基結(jié)合最牢固。TiN/TiSiN多層涂層的結(jié)合力比單層涂層的結(jié)合力更大，說(shuō)明TiN/TiSiN多層涂層提高了其承載力，有利于改善膜基結(jié)合力。

2.3 涂層顯微硬度分析

圖4分別給出了試驗(yàn)力在0.245和0.490 N時(shí)不同厚度比的TiN/TiSiN涂層和TiN涂層顯微硬度的測(cè)試結(jié)果。文獻(xiàn)[18]表明，隨著TiSiN層比例的降低，其硬度會(huì)先增大后減小，最后甚至?xí)陀赥iN涂層的硬度。從圖4中可看出，當(dāng)試驗(yàn)力為0.245 N時(shí)，厚度比為2∶2的TiN/TiSiN涂層的硬度最大，為1 644.73HV，而厚度比為1∶2、3∶1的TiN/TiSiN涂層硬度均比TiN涂層的硬度要低；當(dāng)試驗(yàn)力為0.490 N時(shí)，厚度比為1∶2及2∶2的TiN/TiSiN涂層的硬度(分別為1 353.81HV、1 305.28HV)比TiN涂層的硬度(1 274.14HV)略高，各涂層的硬度差別不大。對(duì)于同一涂層，大載荷測(cè)試時(shí)的硬度值偏低。隨TiN/TiSiN涂層厚度比變化，硬度發(fā)生變化，這表明涂層的硬度與涂層的厚度比有一定關(guān)系。大載荷(0.490 N)測(cè)試時(shí)，壓痕深度更大，硬度的測(cè)量值更容易受到襯底影響，但其壓痕更清晰，有利于壓痕面積的觀測(cè)；小載荷(0.245 N)測(cè)試時(shí)，壓痕深度較小，硬度的測(cè)量值不易受襯底影響，但其壓痕較小且模糊，不利于壓痕面積的觀測(cè)。因大載荷下硬度測(cè)量結(jié)果較接近，小載荷下硬度測(cè)量結(jié)果差別較大，文中通過(guò)二者綜合評(píng)判涂層的硬度。

圖4 TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN涂層在不同試驗(yàn)力下的顯微硬度Fig.4 Microhardness of TiN coating and TiN/TiSiN multilayer coatings with differentthickness ratios under different test forces:(a)0.245 N;(b)0.490 N

2.4 涂層的摩擦學(xué)性能及磨痕分析

圖5所示為TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化?？芍?，TiN涂層在摩擦5 min后，摩擦因數(shù)開始下降，隨后氧化層被磨掉，摩擦因數(shù)再起伏變化；當(dāng)進(jìn)入到穩(wěn)定的磨損階段，摩擦因數(shù)在0.27上下波動(dòng)，引起較為嚴(yán)重的磨損。這是由于摩擦氧化引起的，摩擦?xí)r生成的氧化物附著在磨痕區(qū)域，具有減摩的作用。而TiN/TiSiN多層涂層的摩擦因數(shù)均低于TiN涂層，其中厚度比為2∶2、3∶1的多層涂層的磨合階段相對(duì)長(zhǎng)一些，約20 min后才步入穩(wěn)定磨損階段。相比之下1∶2的多層涂層摩擦后迅速步入穩(wěn)定磨損階段，平均摩擦因數(shù)為0.124，這是因?yàn)門iSiN層厚度比較高時(shí)，摻入的Si元素能有效地降低涂層的摩擦因數(shù)。

圖6所示是TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN涂層摩擦磨損后的磨痕形貌?？梢钥闯?，TiN涂層及厚度比為1∶2的TiN/TiSiN多層涂層磨痕的中心及邊緣均有少量的磨屑堆積；而TiN/TiSiN多層涂層厚度比為2∶2、3∶1時(shí)的磨痕則相對(duì)比較平坦光滑，其中厚度比為2∶2的多層涂層的磨痕寬度最小，表明其耐磨性能較好。綜合涂層的摩擦因數(shù)及磨痕形貌分析可發(fā)現(xiàn)，Si元素的摻入可以有效提高涂層的耐磨性，對(duì)摩擦學(xué)性能有積極的影響，而且厚度比為2∶2的TiN/TiSiN多層涂層的耐磨性能最優(yōu)。

圖5 TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of friction coefficient of TiN coating and TiN/TiSiN multilayer coatings with different thicknessratios with time:(a)TiN;(b)TiN/TiSiN(1∶2);(c)TiN/TiSiN(2∶2);(d)TiN/TiSiN(3∶1)

圖6 TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN涂層的磨痕形貌Fig.6 Wear trace morphology of TiN coating and TiN/TiSiN multilayer coatings with different thicknessratios:(a)TiN;(b)TiN/TiSiN(1∶2);(c)TiN/TiSiN(2∶2);(d)TiN/TiSiN(3∶1)

2.5 涂層耐腐蝕性能分析

圖7示出了TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN涂層在3.5%NaCl溶液中的極化曲線?？梢钥闯?，TiN涂層與厚度比為1∶2的TiN/TiSiN多層涂層的極化曲線基本一致，厚度比為2∶2、3∶1的TiN/TiSiN多層涂層均發(fā)生了多次鈍化現(xiàn)象。表1給出了經(jīng)Tafel曲線擬合得到的腐蝕電位及腐蝕電流密度。可以看出，TiN/TiSiN涂層的腐蝕電位比TiN涂層的要高，而且隨TiSiN層厚度比例的提高腐蝕電位也不斷增大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，厚度比為2∶2的TiN/TiSiN涂層的腐蝕電位最高(-0.322 V)、腐蝕電流密度最低(-1.951×10-5A/cm2)。自腐蝕電位越高、電流密度越低，試樣越不易發(fā)生腐蝕。由此說(shuō)明Si元素的摻入能夠提升涂層的耐腐蝕性能，厚度比為2∶2的TiN/TiSiN涂層表現(xiàn)出較為優(yōu)良的耐腐蝕性。

圖7 TiN涂層和不同厚度比TiN/TiSiN涂層在3.5%NaCl溶液中的極化曲線Fig.7 Polarization curves of TiN coating and TiN/TiSiNmultilayer coatings with different thicknessratios in 3.5% NaCl solution

表1 涂層自腐蝕電位與電流密度Table 1 Self corrosion potential and current density of coating

3 結(jié)論

采用電弧離子鍍制備TiN層和TiSiN層厚度比分別為1∶2、2∶2、3∶1的TiN/TiSiN多層涂層，研究不同厚度比對(duì)TiN/TiSiN多層涂層性能的影響。得出以下結(jié)論：

(1)TiN/TiSiN多層涂層為TiN面心立方結(jié)構(gòu)，隨著TiSiN層比例的提高，TiN(111)的峰強(qiáng)有所增強(qiáng)。其厚度比為2∶2的TiN/TiSiN多層涂層的TiN(111)衍射峰最強(qiáng)。

(2)隨著TiSiN層比例的提高，摻入Si的含量越大，越能有效提高涂層的減摩特性。厚度比為1∶2的TiN/TiSiN多層涂層的摩擦因數(shù)最低，為0.124。

(3)厚度比為2∶2的TiN/TiSiN多層涂層的硬度(1 644.73HV)和結(jié)合強(qiáng)度(72 N)均大于其他2種厚度比的TiN/TiSiN多層涂層。

(4)厚度比為2∶2的TiN/TiSiN多層涂層的自腐蝕電位最高(-0.322 V)、自腐蝕電流密度最低(-1.951×10-5A/cm2)，呈現(xiàn)較強(qiáng)的耐腐蝕性，表明Si元素的摻入能夠提升涂層的耐腐蝕性能。