李威辰 覃 群 吳明娟 李海洋 周興成

摘? 要：文章研究了基片偏壓對TiAlN涂層的微觀組織和性能的影響。研究結(jié)果表明：基片偏壓150V時，薄膜表面形貌晶粒分布均勻，致密性好。隨著負偏壓增加，TiAlN薄膜的顯微硬度值先增大后減小，薄膜顯微硬度偏壓增加150V時達到最大值3184.2HV;隨著負偏壓增大，TiAlN薄膜的膜基結(jié)合力先增大后減小，當基體負偏壓上升到150V時，膜基結(jié)合力達到最大為31.9N。

關(guān)鍵詞：多弧離子鍍;TiAlN涂層;模具鋼

中圖分類號：TG146.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2020）04-0027-02

Abstract： The effects of substrate bias on the microstructure and properties of TiAlN coatings are studied in this paper. The results show that： when the substrate is biased at 150V， the surface morphology and grain distribution of the film are uniform and the compactness is good. With the increase of the negative bias， the microhardness of the TiAlN thin film first increases and then decreases. The microhardness of the thin film increases to 3184.2HV when the bias of the microhardness increases by 150V. With the increase of the negative bias， the film-based bonding of the TiAlN thin film The force increases first and then decreases. When the substrate negative bias voltage rises to 150V， the film-base binding force reaches a maximum of 31.9N.

Keywords： multi-arc ion plating; TiAlN coating; mold steel

H13模具鋼是一種常見的汽車模具鋼，具有較高的韌性、良好的紅硬性、優(yōu)良的熱疲勞性能，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造各種汽車零部件，但是，H13鋼工作環(huán)境惡劣，在使用過程中常發(fā)生粘著磨損和熱疲勞失效。表面處理技術(shù)中離子滲氮和陶瓷涂層可以有效抑制H13鋼模具裂紋萌生，提高H13鋼的表面強度和抗疲勞性能。然而，氮化的缺點是模具表面層的塑性和韌性降低，陶瓷涂層不適合涂層的早期開裂失效。多弧離子鍍技TiAlN硬質(zhì)涂層具有高的硬度、高的抗氧化性能，可望改善模具表面的耐磨損性能和熱疲勞性能[1，2]?；诖?，本文以汽車模具鋼H13鋼為研究對象，利用多弧離子鍍技術(shù)在H13鋼表面沉積TiAlN涂層， 研究了基片偏壓對TiAlN薄膜表面形貌、硬度、和膜基結(jié)合力的影響。

1 試驗

1.1 薄膜制備

本試驗選用的基體材料為H13模具鋼。試樣規(guī)格為：20mm*14mm*7mm;將熱處理過后的基材用水磨砂紙逐級打磨至1500#，然后在拋光機上進行拋光，使其表面粗糙度Ra<0.8μm。并分別用丙酮和乙醇清洗30min，吹干后裝爐。實驗采用TSU-650多弧離子鍍膜設(shè)備，靶材為Ti-Al合金靶（50/50at%），工作氣體為高純氬氣，反應(yīng)氣體為高純氮氣。沉積鍍膜前，設(shè)備進行抽真空，當真空度達1.5×10-3Pa時，打開偏壓電源對鍍膜室內(nèi)的試樣進行偏壓清洗，清洗20min后，鍍膜壓力為8×10-1Pa，打開鍍膜電源進行預(yù)鍍膜10min，之后充入N2進行鍍膜，鍍膜完成后，樣品隨爐冷卻至室溫后取出，基片偏壓分別為50V、100V、150V、200V。

1.2 測試分析

采用JSM-6510LV型掃描電鏡（SEM）進行薄膜表面形貌觀察;用HV-1000型顯微硬度計測量薄膜的顯微硬度，載荷50gf，加載時間30s，每個試樣取6個點進行檢測，取平均值;用WS-2005型涂層自動劃痕儀測量薄膜的膜基結(jié)合力，實驗載荷為40N，加載速率為40N/m。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同基片偏壓對涂層表面形貌的影響

圖1為不同基片偏壓下的TiAlN涂層表面形貌圖。從圖1可以看出，薄膜表面存在許多大小不一的液滴狀圓形物體，當基體負偏壓為50V時，薄膜表面密集分布著許多直徑較大的液滴顆粒。隨著基體負偏壓的上升，薄膜表面大顆粒數(shù)目逐漸下降，且薄膜表面粗糙度也顯著降低;當負偏壓繼續(xù)增大到200V時，薄膜表面又出現(xiàn)許多直徑較大的液滴顆粒，薄膜表面粗糙度也較高。這主要是因為隨著偏壓的增大，薄膜的離子能量增大，可將已沉積在薄膜表面的大顆粒擊碎或濺射出去，從而改善了薄膜表面質(zhì)量。但是當偏壓進一步升高后，影響鍍膜質(zhì)量的原因是離子轟擊能量過大，導致薄膜表面產(chǎn)生許多缺陷[3]。當偏壓為150V時，薄膜的表面形貌最好，表面晶粒分布均勻，致密性好，單位面積上的顆粒密度較小。

2.2 不同基片偏壓對涂層硬度的影響

不同基片偏壓TiAlN薄膜的顯微硬度數(shù)據(jù)如圖2所示。從圖2中可以看出，薄膜的顯微硬度值隨基體負偏壓的增加呈先上升后下降的變化趨勢。當基體負偏壓為150V時，薄膜的顯微硬度達到峰值，為3184.2HV。隨著基片偏壓升高顯微硬度上升，主要原因是離子和電子隨著基體負偏壓上升產(chǎn)生電場力的作用下被加速，離子能量不斷加大，對薄膜表面的轟擊能力加強，薄膜沉積的結(jié)合力更強、更加的致密均勻，故薄膜硬度值會增加。但是繼續(xù)增加偏壓導致離子轟擊能量過大，當顯微硬度達到峰值之后，會使薄膜的顯微硬度下降，因為過大的偏壓不僅會把已成形的薄膜相轟擊掉，還會濺射到薄上會使薄膜產(chǎn)生缺陷，發(fā)生反濺射，導致薄膜硬度下降[4]。

2.3 不同基片偏壓對膜層結(jié)合力的影響

圖3為不同基片偏壓下TiAlN薄膜的結(jié)合力。隨著基片偏壓的增大，膜基結(jié)合力先增大后減小，在基片偏壓為150V時，TiAlN涂層的膜基結(jié)合力最高，達到31.9N。這主要是由于兩個原因?qū)е履せY(jié)合力不斷升高：第一，離子轟擊的能量隨著負偏壓的升高而加大，導致沉積到膜層的粒子數(shù)量變多，因此膜層界面趨于平緩、形成的組織均勻致密，存在于膜層與基體之間的殘余應(yīng)力變小，因此結(jié)合強度增大;第二，部分存在于膜層表面的大顆粒在離子的轟擊下被擊碎，另外存在一些吸附力較低的大顆粒在反濺射作用下被濺射出去，使得只有較為細小致密的原子存在于膜層表面，增強了膜基結(jié)合力。但是膜基結(jié)合力在負偏壓由150V進一步升高時表現(xiàn)為不增反降的趨勢，這是由于過高的負偏壓使離子沉積到基體表面后，基體表面溫度增高，導致晶格畸變，增大了殘余應(yīng)力，造成基材軟化，影響膜基結(jié)合力。

3 結(jié)論

（1）隨著基片偏壓的升高，薄膜表面晶粒尺寸減小，致密度和均勻性得到了提高，但基片偏壓為200V時，涂層表面出現(xiàn)大顆粒，影響鍍層質(zhì)量。

（2）隨著基片偏壓的升高，薄膜硬度和結(jié)合力先增大后減小，當基片偏壓為150V時，薄膜具有最高的硬度和結(jié)合力。

參考文獻：

[1]胡志杰，李爭顯，王寶云，等.工藝參數(shù)對Ti合金表面電弧離子鍍TiA1N涂層的性能影響[J].熱加工工藝，2008，37（12）：109.

[2]陳強，張而耕，張鎖懷.TiAlN，TiAlSiN涂層的制備及其切削性能[J].表面技術(shù)，2017，46（1）：118-123.

[3]張海平，王守仁，郭培全.TiAlN基薄膜的研究進展[J].機械工程材料，2013，37（4）：1-4.

[4]梁啟超，王天國.多弧離子鍍TiAlN薄膜的制備及其抗氧化性能[J].材料保護，2017，50（1）：1-4.