李柏松，王鐵鋼，侯 翔，唐寬瑜

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實驗室，天津300222）

0 引言

CrN基多元氮化物涂層在航空航天、汽車和刀具工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，大大延長了工作部件的使用壽命。研究表明，涂層表面形成的Cr2O3保護(hù)層將提高涂層本身的耐腐蝕性，降低接觸部件的黏著作用[1]。但由于其有限的力學(xué)性能、摩擦磨損性能和抗氧化性能，無法滿足日益增長的高速切削或干切削的要求。而在CrN晶格中加入Al元素有利于提高涂層的熱穩(wěn)定性和抗氧化性。Si作為一種合金元素加入AlCrN涂層后會形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，影響薄膜內(nèi)部的晶粒尺寸和相組成，從而顯著改善涂層的硬度和抗氧化性。四元AlCrSiN涂層中，非晶Si3N4包裹著的（Al，Cr）N納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)涂層的抗氧化性、降低內(nèi)應(yīng)力以及減小晶粒尺寸[2]。

涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度嚴(yán)重影響著刀具涂層的制備及其使用壽命，高功率脈沖磁控濺射系統(tǒng)特有的高離化率優(yōu)勢可以使沉積粒子在基體表面產(chǎn)生局部外延生長[3]，以此來提高涂層與基體的結(jié)合力。高功率脈沖磁控濺射（HiPIMS）通過降低占空比（0.5% ～5%），能夠產(chǎn)生較高峰值電流、較高功率密度0.5～10 kWcm-2、較高離化率[4，5]。因此，通過優(yōu)化HiPIMS電源參數(shù)，可以獲得表面光滑、結(jié)構(gòu)致密、力學(xué)性能良好的納米復(fù)合涂層。N2/Ar流量比將影響靶材粒子的沉積方式、涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，膜基結(jié)合強(qiáng)度作為涂層力學(xué)性能的重要組成部分，也會隨著涂層組織結(jié)構(gòu)的演變而變化。本論文采用高鋁含量的Al60Cr30Si10合金靶材通過HiPIMS技術(shù)制備了AlCrSiN涂層，主要研究了不同N2/Ar流量比對涂層膜基結(jié)合力的影響。

1 實驗

1.1 涂層的沉積

利用HiPIMS系統(tǒng)，在拋光后的SUS 304不銹鋼（40×30×0.99 mm3）基體上沉積AlCrSiN涂層。依次在丙酮和酒精中超聲波清洗30 min后吹干。鍍膜前煉靶5min以去除靶表面的污染物。本底真空再次達(dá)到到2.0×10-3Pa后，通氬氣開直流偏壓800 V產(chǎn)生輝光放電維持10min并進(jìn)行離子轟擊。鍍膜開始后保持工作壓強(qiáng)為7.0×10-1Pa，沉積AlCrSi過渡層。然后通入氮?dú)忾_始鍍膜300 min，基體偏壓維持在30 V，靶功率維持在1.0 kW.保持氮?dú)鈿鍤饬髁靠偤蜑?40 sccm不變，分別改變N2/Ar流量比1/4、1/1.保持沉積溫度為300℃，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速2 r·min-1，靶基距100 mm.高功率電源參數(shù)如下：平均功率1 kW，電壓555 V，脈寬 160 μs，頻率 180 Hz.

1.2 A lCr S i N涂層的性能表征和測試方法

利用劃痕法測定了涂層與SUS 304不銹鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度。劃痕儀型號（CSM，Revetest Scratch Tester）。劃痕試驗參數(shù)如下：劃痕長度15mm，劃痕速度0.5mm/s，載荷1～100 N，實驗過程中記錄摩擦力、摩擦系數(shù)、聲發(fā)射信號來測量臨界載荷并用掃描電子顯微鏡（SEM，F(xiàn)EI，Nano430）觀察涂層劃痕形貌。

2 結(jié)果與討論

本研究中，將涂層與基體完全剝落時對應(yīng)的載荷Lc2作為衡量膜基結(jié)合強(qiáng)度的指標(biāo)。從圖1b可以看出，N2/Ar=1/4的AlCrSiN涂層摩擦力曲線斜率在70 N附近突然升高，圖1a劃痕形貌圖表明，此時樣片已露出白色不銹鋼基體，且仍有部分涂層殘留在基體表面?？梢源_定此時載荷66.6 N即為臨界載荷。從圖2b可以看出，N2/Ar=1/1的AlCrSiN涂層摩擦力曲線斜率在F[n]=35.9 N附近突然升高，參考劃痕形貌圖，可以確定此時載荷35.9 N即為臨界載荷。

圖2 N2/A r=1/1的A lCr S i N涂層劃痕形貌及信號曲線

劃痕測試結(jié)果表明，N2/Ar=1/4的AlCrSiN涂層膜基結(jié)合力最大為66 N，這與涂層致密的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[6-8]。由于N2/Ar=1/4時真空室內(nèi)離子較多，N2含量相對較少，沉積粒子在偏壓作用下可以獲得更高的動能從而加速撞擊并沉積到基體表面，而具有較高動能的粒子對已沉積粒子有一定的壓實作用，可以消除涂層內(nèi)部缺陷，從而獲得致密的納米晶結(jié)構(gòu)，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。此外，需要指出的是，對沉積過程的精確控制和HiPIMS技術(shù)的獨(dú)特工藝優(yōu)勢，是本研究獲得良好結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵[9]。

然而N2/Ar流量比的增加使臨界載荷明顯下降，從N2/Ar=1/4時的66 N下降至N2/Ar=1/1時的35 N.這歸因于沉積粒子動能的減小[10-12]。隨著氮?dú)灞鹊脑黾?，真空室?nèi)中性氮化物顆粒逐漸增加，濺射離子沉積路徑上動能損失較大，從而導(dǎo)致涂層致密性減小，膜基結(jié)合力也隨之減小。此外，AlCrSiN涂層內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的演變、成分的變化、物相及應(yīng)力狀態(tài)也起到了關(guān)鍵的作用。具體而言，隨著N2/Ar流量比的增加，涂層內(nèi)部氮化物含量顯著增加，AlN、CrN與非晶Si3N4形成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)使涂層變得硬且脆[13]，當(dāng)受到劃痕儀壓頭的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力聯(lián)合作用時，涂層更易產(chǎn)生裂紋，從而剝離基體。

3 結(jié)論

隨著N2/Ar流量比的增加，AlCrSiN涂層膜基結(jié)合強(qiáng)度顯著下降。原因在于Ar+離子對靶材轟擊作用的減弱以及沉積粒子動能的減小。

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