于耀華, 王彥峰, 吳偉建

1.上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308 2.西北有色金屬研究院 西安 710055

1 研究背景

17-4PH不銹鋼,即0Cr17Ni4Cu4Nb鋼,是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼。在制備17-4PH不銹鋼時(shí),通過(guò)固溶處理使溫度快速冷卻至室溫,組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。再經(jīng)過(guò)380～560 ℃時(shí)效處理,使馬氏體基體沉淀出富銅相,進(jìn)而使強(qiáng)度進(jìn)一步提高。因17-4PH鋼含碳量較低,不高于0.05%,鋼中不出現(xiàn)碳化物,因此使合金元素大部分固溶于合金固溶體中,從而具有優(yōu)良的耐腐蝕性。17-4PH鋼的耐腐蝕性和可焊性均優(yōu)于普通馬氏體不銹鋼,接近于某些奧氏體不銹鋼。此外,由于沉淀出富銅相,17-4PH鋼的減振性能也較為優(yōu)良[1]。

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,TiN硬質(zhì)薄膜以遠(yuǎn)高于基體材料的硬度和強(qiáng)度、抗磨損性、耐腐蝕性及抗高溫氧化性,成為提高材料表面服役性能常用的鍍膜材料[2]。制備TiN涂層通常采用氣相沉積技術(shù)[3-4],在高真空條件下,通過(guò)化學(xué)或物理過(guò)程,將材料變?yōu)闅怏w原子、離子、分子或集合體,并附在材料表面,形成一層微米級(jí)厚度的固體涂層[5-6]。氣相沉積技術(shù)主要分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積,兩者的差別在于獲得沉積物粒子的方法和成膜過(guò)程?；瘜W(xué)氣相沉積主要通過(guò)化學(xué)反應(yīng)及熱分解,將含有涂層元素的反應(yīng)物分解,獲得膜層粒子,并相互反應(yīng)沉積在基體表面。物理氣相沉積制備的涂層不涉及化學(xué)反應(yīng),沉積物粒子的獲得過(guò)程中也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),只是在涂層沉積過(guò)程中各元素相互化合形成涂層。迄今為止,利用氣相沉積技術(shù)制備的TiN等硬質(zhì)涂層已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工具的表面強(qiáng)化[7-10]。

離子鍍技術(shù)指在真空條件下,利用低壓氣體放電產(chǎn)生的等離子體,電離、激活蒸發(fā)出的金屬與化合物蒸氣原子或分子發(fā)生離化,在鍍膜的同時(shí)荷能離子轟擊基片表面和膜層。離子鍍技術(shù)最早由Mattox于1963年提出并付諸實(shí)踐,其鍍膜層均勻,附著力強(qiáng),繞鍍性好。離子鍍技術(shù)在工業(yè)中最典型的應(yīng)用為陰極電弧離子鍍技術(shù)。這一技術(shù)通過(guò)弧光放電,獲得蒸發(fā)后的陰極靶材原子或離子,原子或離子受等離子體電場(chǎng)的進(jìn)一步強(qiáng)化并發(fā)生離化,在負(fù)偏壓作用下飛向基片體表面沉積成膜[11-13]。

基于上述特點(diǎn),將電弧離子鍍TiN硬質(zhì)薄膜技術(shù)應(yīng)用于17-4PH鋼的表面強(qiáng)化處理,可以有效改善鋼的表面性能,使工作表面具有較高的耐磨性和抗熱疲勞性。目前,關(guān)于17-4PH鋼電弧離子鍍TiN硬質(zhì)薄膜技術(shù)的研究還很少。對(duì)于17-4PH鋼表面Ti/TiN多層復(fù)合薄膜,筆者重點(diǎn)研究不同Ti層與TiN層厚度比值和不同復(fù)合層數(shù)對(duì)表面形貌、斷面形貌、成分、顯微硬度、相結(jié)構(gòu)、致密性、厚度均勻性、耐磨性、結(jié)合力等涂層性能的影響。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基體材料選用17-4PH不銹鋼,采購(gòu)于東北特鋼集團(tuán)撫順特殊鋼股份有限公司,交貨狀態(tài)為退火態(tài),直徑為40 mm,化學(xué)成分規(guī)定值及實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。材料經(jīng)1 040～1 060 ℃保溫90 min后油淬固溶處理,再經(jīng)500～520 ℃保溫90 min后空冷時(shí)效處理。時(shí)效處理后材料力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

3 試驗(yàn)設(shè)備

筆者所使用的等離子沉積設(shè)備為等離子增強(qiáng)物理氣相沉積設(shè)備,主要由爐體、電氣控制系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)等組成。采用單級(jí)脈沖偏壓電源,功率為30 kW,電壓調(diào)整范圍為0～1 500 V,5%～90%占空比連續(xù)可調(diào),輸出電流為0～100 A。真空獲得系統(tǒng)由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組成,真空室的極限壓力為8.5×10-5Pa,采用YG5227-1型復(fù)合真空計(jì)和DD8-2B型流量控制儀。供氣系統(tǒng)配備三路數(shù)字式氣體質(zhì)量流量控制器,標(biāo)況下最高加氣量均可達(dá)到500 mL/min。獨(dú)立加熱系統(tǒng)包括加熱器及不銹鋼鎧裝加熱絲,保證真空室內(nèi)的溫度范圍為室溫至500 ℃。通過(guò)比例積分微分自動(dòng)控溫儀進(jìn)行溫度控制。真空室內(nèi)設(shè)置測(cè)溫?zé)犭娕?實(shí)時(shí)顯示真空室在加熱過(guò)程中的溫度狀況。

4 試驗(yàn)工藝

試驗(yàn)涂層制備設(shè)備為等離子增強(qiáng)物理氣相沉積設(shè)備,該設(shè)備同時(shí)配備了φ60、純度高于99.9%的高純Ti電弧靶材,試驗(yàn)時(shí)的工作氣體為高純度Ar和N2。涂層沉積之前,設(shè)備的本底真空度為3.0×10-3Pa以上,沉積溫度為230～270 ℃,基體與沉積靶源的距離約為150 mm,并在靶源前自轉(zhuǎn),自轉(zhuǎn)速度為3 r/min,保證基體材料各個(gè)表面涂層的均勻性及沉積效率。

在制備涂層之前,利用脈沖偏壓對(duì)基體材料進(jìn)行離子濺射清洗,去除基體材料表面難以手工清除的污染物及氧化層,提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。具體方法為,在基體表面施加800～1 000 V、占空比為80%的脈沖偏壓,并通入Ar及N2,調(diào)整并使真空室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)維持在2.5×10-1～3×10-1Pa。在這一過(guò)程中,N2與Ar的流量比應(yīng)控制在1∶9左右。打開(kāi)沉積靶源,靶表面電流控制為55～60 A。利用靶源表面產(chǎn)生的高能Ti+流、離化Ar及N-對(duì)基體表面進(jìn)行前期轟擊清洗,清洗時(shí)間控制為7 min。整個(gè)清洗過(guò)程結(jié)束后,進(jìn)入Ti/TiN多層復(fù)合薄膜的工藝實(shí)施階段。

Ti/TiN多層復(fù)合薄膜的制備工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 Ti/TiN多層復(fù)合薄膜制備工藝參數(shù)

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 顏色

通過(guò)試驗(yàn),對(duì)樣品表面宏觀形貌進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)樣品表面的TiN涂層隨沉積制備工藝的變化呈現(xiàn)不同的顏色。1號(hào)樣品為單層TiN涂層,呈金黃色。隨著Ti層的加入,復(fù)合涂層的顏色逐漸由原有的金黃色向淺黃色轉(zhuǎn)變,尤其是當(dāng)Ti層的沉積時(shí)間延長(zhǎng)至每周期5 min以上時(shí),這種趨勢(shì)更加明顯。分析認(rèn)為,單周期內(nèi)Ti層沉積時(shí)間延長(zhǎng),不可避免地會(huì)導(dǎo)致涂層中Ti層厚度增大,引起Ti原子含量增大,從而使整體涂層中Ti成分含量升高,TiN成分含量降低,必然影響涂層的整體顏色。從顏色變化趨勢(shì)分析,可以預(yù)測(cè)涂層顏色變淺會(huì)導(dǎo)致涂層性能降低,尤其是涂層的顯微硬度。

5.2 表面及斷面形貌

應(yīng)用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-6460型掃描電子顯微鏡,對(duì)涂層表面及斷面形貌進(jìn)行觀察。1號(hào)樣品單層TiN涂層及6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層的表面形貌分別如圖1、圖2所示?？梢钥闯?兩種結(jié)構(gòu)的涂層均呈現(xiàn)出電弧離子鍍涂層表面存在微米級(jí)大顆粒結(jié)構(gòu)的典型形貌。受電弧蒸發(fā)影響,靶材在大電流的加熱作用下,表面熔池效應(yīng)顯著。在長(zhǎng)時(shí)間涂層制備過(guò)程中,靶材表面噴濺出的液滴越來(lái)越大,造成沉積在樣品表面的大顆粒尺寸也越來(lái)越大。由于靶材的蒸發(fā)、離化反應(yīng)及沉積原理沒(méi)有改變,因此即便是采用了多層復(fù)合結(jié)構(gòu),涂層表面的大顆粒缺陷仍然存在。

圖1 1號(hào)樣品單層TiN涂層表面形貌

圖3所示為1號(hào)樣品單層TiN涂層斷面形貌,圖4所示為3號(hào)樣品四層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面形貌,圖5所示為4號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面形貌,圖6所示為6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面形貌,圖7所示為8號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面形貌。從涂層斷面形貌上分析,涂層與基體的結(jié)合非常致密,界面完整。受沉積工藝條件的限制,涂層呈現(xiàn)了不同的Ti層與TiN層厚度比,以及不同的沉積周期,即復(fù)合層數(shù)。圖中黑色線條為T(mén)i層,灰白色部分為T(mén)iN層。涂層的厚度均為3～5μm,而基于不同的Ti調(diào)制層沉積時(shí)間及沉積周期,涂層呈現(xiàn)了不同的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中,3號(hào)樣品和6號(hào)樣品涂層更為均勻,未出現(xiàn)彎曲等現(xiàn)象?？梢灶A(yù)測(cè)的是,單層結(jié)構(gòu)與多層復(fù)合結(jié)構(gòu),以及不同層數(shù)的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)之間,性能必然不相同。

圖4 3號(hào)樣品四層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面形貌

5.3 成分

應(yīng)用JSM-6460型掃描電子顯微鏡自帶的Oxford X-sight成分分析儀,分析不同結(jié)構(gòu)Ti/TiN復(fù)合涂層的斷面成分。6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面元素能譜掃描圖譜如圖8所示,可以看出,涂層中的Ti元素、N元素呈現(xiàn)梯度分布結(jié)構(gòu)。由于沉積周期較短,Ti層厚度比較薄,這種梯度結(jié)構(gòu)并不是很明顯。通過(guò)測(cè)量,試驗(yàn)制備的1號(hào)～10號(hào)樣品中,Ti元素、N元素成分含量相差不大,N與Ti的原子比值基本在0.6～0.7之間,小于TiN本身的化學(xué)計(jì)量比。這主要與涂層沉積過(guò)程中Ti與N的反應(yīng)不充分,以及Ti電弧靶產(chǎn)生大Ti液滴有關(guān),而產(chǎn)生的Ti液滴很難與真空室中的N反應(yīng),由此造成涂層中N元素含量偏低。

圖5 4號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面形貌

圖6 6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面形貌

圖7 8號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面形貌

圖8 6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層斷面元素能譜掃描圖譜

5.4 顯微硬度

涂層顯微硬度是表征涂層使用性能的重要參數(shù)之一。在試驗(yàn)中,采用壓入法表征涂層的顯微硬度。受涂層厚度的影響,在測(cè)試微米級(jí)涂層的顯微硬度時(shí),一般采用小于0.5 N的小載荷進(jìn)行測(cè)試,以最大限度消除基體材料本身對(duì)于測(cè)試結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)中,采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的HXD-1000TMSC/LCD型雙壓頭自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì),在0.25 N外加載荷、保壓時(shí)間10 s的測(cè)試條件下,測(cè)量復(fù)合涂層的顯微硬度。參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9790—1988《金屬覆蓋層及其它有關(guān)覆蓋層 維氏和努氏顯微硬度試驗(yàn)》。

不同工藝參數(shù)下Ti/TiN多層復(fù)合涂層的顯微硬度如圖9所示。試驗(yàn)選用的17-4PH不銹鋼,0.25 N外加載荷下顯微維氏硬度(HV)僅為410。涂層顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果表明,無(wú)論采用何種工藝,在表面進(jìn)行TiN或Ti/TiN多層復(fù)合涂層,均能夠在不同程度上提高基體材料的顯微硬度。單層TiN涂層的顯微維氏硬度(HV)為1 200左右,Ti/TiN多層復(fù)合涂層顯微硬度則有不同程度的提高。尤其是6號(hào)樣品,利用電弧離子鍍技術(shù)在表面制備六層Ti/TiN復(fù)合涂層,顯微維氏硬度(HV)高達(dá)2 700,使基體材料的顯微硬度提高了5倍多。由此可見(jiàn),在合理的沉積周期及Ti層與TiN層厚度比值情況下,應(yīng)用電弧離子鍍技術(shù)能夠獲得顯微硬度更高的Ti/TiN復(fù)合涂層。

圖9 不同工藝參數(shù)下Ti/TiN多層復(fù)合涂層顯微硬度

通過(guò)試驗(yàn)可見(jiàn),Ti單層和TiN單層的沉積時(shí)間分別為3 min和17 min時(shí),涂層具有最佳的力學(xué)性能。由9號(hào)和10號(hào)樣品可知,隨著Ti單層沉積時(shí)間的延長(zhǎng),涂層中Ti調(diào)制層厚度增大,不但不能起到提高硬度的作用,反而會(huì)降低TiN涂層的本征硬度。分析認(rèn)為,Ti調(diào)制層厚度過(guò)于增大,相當(dāng)于增加了軟化層,使多層復(fù)合的調(diào)制效應(yīng)被大大減弱?？梢?jiàn),涂層的Ti層與TiN層厚度比值必須合理控制,以起到提高涂層力學(xué)性能的作用。

此外,多層復(fù)合結(jié)構(gòu)也能相對(duì)提高涂層的韌性。眾所周知,在軟基體表面制備硬質(zhì)涂層,會(huì)不可避免地遇到蛋殼效應(yīng)。由于基體與涂層在力學(xué)性能上的巨大差異和不匹配性,會(huì)造成涂層在受到外加載荷作用時(shí)發(fā)生脆性斷裂,此即為蛋殼效應(yīng)。1號(hào)樣品單層TiN涂層和6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層在0.25 N測(cè)試載荷下的表面壓痕形貌分別如圖10、圖11所示,可以看出,單層TiN涂層由于表面硬度較高,與基體在彈性模量、硬度等方面差別較大,使涂層內(nèi)部積聚的熱應(yīng)力較大,在外加0.25 N載荷作用下,熱應(yīng)力極易在涂層與基體的界面處釋放,產(chǎn)生類似于蛋殼效應(yīng)的脆性開(kāi)裂,進(jìn)而產(chǎn)生環(huán)狀裂紋。多層Ti/TiN復(fù)合涂層由于Ti單層和TiN單層交替分布,形成合理的軟層、硬層匹配,使涂層內(nèi)部的熱應(yīng)力均勻分散,涂層在外加載荷作用下不會(huì)產(chǎn)生脆性裂紋。由此可見(jiàn),采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu),能夠進(jìn)一步提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

5.5 相結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步研究不同層數(shù)Ti/TiN多層復(fù)合涂層的相結(jié)構(gòu),應(yīng)用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/max2200pc型X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行相結(jié)構(gòu)檢測(cè)及分析,檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖10 1號(hào)樣品單層TiN涂層表面壓痕形貌

圖11 6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層表面壓痕形貌

圖12 涂層相結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果

由圖12可以看出,6號(hào)樣品呈現(xiàn)了最佳的衍射峰取向,TiN衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng),基體的衍射峰相對(duì)較弱。隨著沉積周期的縮短及Ti層與TiN層厚度比值的增大,TiN衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱,表明改變制備工藝參數(shù)影響了涂層中TiN的成分含量,TiN成分含量顯著減小,從而降低涂層的力學(xué)性能。由此可以認(rèn)為,在制備Ti/TiN多層復(fù)合涂層時(shí),必然存在最佳的沉積周期和Ti層與TiN層厚度比值,使涂層的成分、組織及性能達(dá)到最佳。

5.6 致密性和厚度均勻性

電弧離子鍍技術(shù)通過(guò)在陰極靶源表面電弧放電,將靶材蒸發(fā)、離化,從而形成包括靶材原子、原子團(tuán)及離子的混合等離子團(tuán),在外加電場(chǎng)作用下沉積到樣品表面。電弧離子鍍能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)高于磁控濺射技術(shù)的離子能量及離化率,形成的等離子團(tuán)能量大,初始動(dòng)能大,沉積到基體上時(shí)能夠形成結(jié)合緊密、致密均勻的涂層。在試驗(yàn)中,制備的具有最佳硬度的Ti/TiN多層復(fù)合涂層為六層復(fù)合結(jié)構(gòu),表面致密、均勻。

對(duì)于工程應(yīng)用而言,涂層的厚度均勻性是保證涂層能夠較好服役的重要性能指標(biāo)。筆者設(shè)計(jì)了一種可用于后續(xù)工程考核的17-4PH沉淀硬化鋼滾子零件,如圖13所示。利用6號(hào)樣品的涂層制備工藝,分別在三個(gè)受力齒齒形表面制備Ti/TiN涂層,涂層制備完成后將試樣剖開(kāi),并利用掃描電子顯微鏡觀察斷口,表征三個(gè)受力齒齒形表面涂層的厚度。斷口形貌及厚度測(cè)量結(jié)果如圖14～圖16所示。

圖13 17-4PH沉淀硬化鋼滾子零件

由圖14～圖16可知,采用6號(hào)樣品制備工藝,獲得了具有明顯六層結(jié)構(gòu)的Ti/TiN復(fù)合涂層,且涂層表面平整,厚度比較均勻。涂層厚度均勻性Tu為:

(1)

式中:Tm為涂層厚度實(shí)測(cè)值;Ta為涂層厚度平均值。

涂層厚度均勻性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4,可見(jiàn)厚度均勻性均大于97%。較高的涂層厚度均勻性可以保證涂層在后續(xù)服役過(guò)程中產(chǎn)生均勻一致的保護(hù)作用,有效提高服役性能。

圖14 1號(hào)受力齒齒形表面制備Ti/TiN涂層斷口形貌

圖15 2號(hào)受力齒齒形表面制備Ti/TiN涂層斷口形貌

圖16 3號(hào)受力齒齒形表面制備Ti/TiN涂層斷口形貌

5.7 耐磨性

在施加一定載荷的條件下,使摩擦副在樣品表面同心旋轉(zhuǎn)進(jìn)行對(duì)磨,力信號(hào)傳感器傳送摩擦力信號(hào),并轉(zhuǎn)換為摩擦因數(shù),進(jìn)而得到摩擦因數(shù)與對(duì)磨轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系。通過(guò)分析摩擦因數(shù),可以得到涂層的摩擦特性。對(duì)摩擦因數(shù)突變位置進(jìn)行對(duì)比分析,并參照磨痕光學(xué)顯微圖,可以得到涂層的磨損性能。

試驗(yàn)中采用中科院蘭州化學(xué)物理研究所的MS-T3000型磨損試驗(yàn)機(jī),摩擦副為直徑6 mm的SiC球,試驗(yàn)條件為載荷1 N、干摩擦2萬(wàn)轉(zhuǎn)。分別研究1號(hào)樣品單層TiN涂層、3號(hào)樣品四層Ti/TiN復(fù)合涂層、6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層的摩擦性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖17、圖18所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi),相比單層TiN涂層,Ti/TiN多層復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)一直維持在0.25以下,說(shuō)明涂層未完全失效,仍然具有一定的耐磨性。不同涂層在試驗(yàn)后的表面磨痕形貌如圖19、圖20所示,可以看出,在經(jīng)過(guò)多層復(fù)合之后,Ti/TiN涂層的耐磨性能大大提高,磨損顆粒、犁溝樣磨痕等表面磨損缺陷顯著消失,摩擦因數(shù)也明顯減小。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,涂層依然未失效。試驗(yàn)結(jié)果表明,Ti/TiN多層復(fù)合涂層能夠顯著改善耐磨性能。

表4 涂層厚度均勻性測(cè)試結(jié)果

此外,對(duì)6號(hào)樣品磨痕表面和內(nèi)部進(jìn)行涂層成分分析,磨痕表面如圖21所示,磨痕內(nèi)部如圖22所示,成分分析結(jié)果見(jiàn)表5?？梢园l(fā)現(xiàn),磨痕內(nèi)部仍然存在TiN涂層成分。磨痕的微區(qū)形貌表明,涂層呈現(xiàn)一種漸進(jìn)式磨損,即在外加載荷的作用下,涂層的磨損是次第產(chǎn)生的,前一層TiN涂層磨損完之后,后一層TiN涂層再直接參與抗磨過(guò)程。

圖17 1號(hào)、6號(hào)樣品耐磨性試驗(yàn)結(jié)果

圖18 3號(hào)樣品耐磨性試驗(yàn)結(jié)果

圖19 3號(hào)樣品四層Ti/TiN復(fù)合涂層表面磨痕形貌

圖20 6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層表面磨痕形貌

5.8 結(jié)合力

涂層與基體的界面結(jié)合力是決定涂層可靠性和使用壽命的重要因素,涂層與基體界面的結(jié)合性能是直接影響膜基體系最終使用性能的首要指標(biāo)。涂層與基體的界面結(jié)合力越大,涂層在后續(xù)實(shí)際工況運(yùn)行中就越不容易失效。

圖21 6號(hào)樣品磨痕表面

圖22 6號(hào)樣品磨痕內(nèi)部

元素磨痕表面質(zhì)量百分比原子百分比磨痕內(nèi)部質(zhì)量百分比原子百分比Cr1.33%1.78%——Fe5.39%6.70%——N8.21%10.21%17.58%42.18%Ti85.07%81.31%82.42%57.82%

根據(jù)JB/T 8554—1997《氣相沉積薄膜與基體附著力的劃痕試驗(yàn)方法》,筆者采用WS-97型自動(dòng)加載劃痕儀來(lái)測(cè)量不同工藝條件下涂層與基體的界面結(jié)合力。壓頭以一定的加載速率進(jìn)行豎直加載,并按恒定速度向前移動(dòng),通過(guò)聲信號(hào)傳感器感應(yīng)涂層在被劃穿瞬間的聲信號(hào),確定涂層失效點(diǎn)。在試驗(yàn)的過(guò)程中,采用標(biāo)準(zhǔn)洛氏壓頭,劃痕的加載速率控制為25 N/min,劃痕的移動(dòng)速度控制為4 mm/min,所能加載的最大載荷為100 N。

結(jié)合力試驗(yàn)結(jié)果如圖23、圖24所示,可見(jiàn)相比于1號(hào)樣品單層TiN涂層低于30 N的結(jié)合力,6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層的結(jié)合力大于56 N,多層復(fù)合結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了較高的膜基結(jié)合強(qiáng)度。

圖23 1號(hào)樣品單層TiN涂層結(jié)合力試驗(yàn)結(jié)果

圖24 6號(hào)樣品六層Ti/TiN復(fù)合涂層結(jié)合力試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

(1) 17-4PH沉淀硬化不銹鋼通過(guò)電弧離子鍍獲取Ti/TiN多層復(fù)合薄膜在工藝上是可行的,并且涂層與基體結(jié)合非常致密,樣品的顯微硬度可以得到顯著提高。

(2) 無(wú)論是單層TiN涂層,還是Ti/TiN多層復(fù)合涂層,受涂層制備工藝路線原理的限制,涂層表面均存在微米級(jí)的大顆粒結(jié)構(gòu)缺陷。

(3) 相比于單層TiN涂層,Ti/TiN多層復(fù)合涂層不僅增強(qiáng)了顯微硬度,而且有效提高了韌性及膜基結(jié)合強(qiáng)度,通過(guò)試驗(yàn)工藝參數(shù)制備的六層Ti/TiN復(fù)合涂層的結(jié)合力大于56 N,遠(yuǎn)大于單層TiN涂層的結(jié)合力。

(4) 不同的Ti層與TiN層厚度比值和沉積周期對(duì)樣品的顯微硬度影響較大,涂層相結(jié)構(gòu)和顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明,理論上必然存在最合理的Ti層與TiN層厚度比值和沉積周期,使涂層的成分、組織及性能達(dá)到最佳。試驗(yàn)得到的最合理參數(shù)為T(mén)i單層沉積3 min、TiN單層沉積17 min,復(fù)合層數(shù)為六層。此時(shí),六層Ti/TiN復(fù)合涂層具有良好的力學(xué)性能,可以使基體材料的表面硬度提高5倍以上。

(5) Ti/TiN多層復(fù)合涂層可以有效減小接觸表面的摩擦因數(shù),顯著改善體系的耐磨性能。耐磨性試驗(yàn)結(jié)果表明,涂層呈現(xiàn)漸進(jìn)式磨損。