盧 帥 王硯軍 孟德章 高鵬遠(yuǎn)

(濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山東濟(jì)南 250022)

硬質(zhì)合金刀具在切削加工領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，其應(yīng)用明顯提高了切削加工的切削速度、切削效率及切削質(zhì)量，特別適應(yīng)于硬度比較大、塑性較好的金屬材料的切削加工[1]。但是，硬質(zhì)合金刀具脆性大、耐沖擊性能低、抗振性能差，不能滿足高性能加工要求。隨著金屬切削工藝的發(fā)展，特別是高速切削、高效切削、干式切削和硬切削等新工藝的出現(xiàn)[2]，對(duì)金屬切削加工刀具提出了更高的技術(shù)要求，如要求切削加工刀具材料具有耐高溫、抗氧化、自潤(rùn)滑、耐磨損等特點(diǎn)[3]。刀具涂層處理作為提升刀具綜合性能的重要途徑，其重要意義在于將刀具基體和硬質(zhì)涂層的特性結(jié)合起來(lái)，既保持了刀具基體良好的韌性，也具備了硬質(zhì)涂層高硬度和高耐磨性等特點(diǎn)[4]，從而實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)刀具的綜合改性，能有效提高加工效率與加工精度，延長(zhǎng)刀具使用壽命，降低生產(chǎn)成本[5]。

研究表明，CrN涂層密度低、熔點(diǎn)高、耐磨耐蝕性好，且具有較好的高溫抗氧化性能，廣泛應(yīng)用于刀具和磨具表面的強(qiáng)化處理[6-8]。在磨削加工過(guò)程中，CrN涂層表面會(huì)生成Cr2O3保護(hù)膜，能有效地保護(hù)刀具和磨具。LIN等[9-10]利用直流磁控濺射(DCMS)和調(diào)制脈沖磁控濺射(MPP)在非平衡閉合磁控濺射系統(tǒng)中分別沉積CrN涂層，結(jié)果表明：2種涂層都具有相似的化學(xué)組成成分和立方結(jié)構(gòu)，但其殘余應(yīng)力大小、微觀結(jié)構(gòu)不同。LEE等[11-12]在不同的溫度和脈沖偏壓下，利用雙極對(duì)稱脈沖直流磁反應(yīng)技術(shù)在高速鋼基體上沉積CrN涂層，發(fā)現(xiàn)隨著基體溫度和偏壓的增加，CrN涂層的擇優(yōu)取向從(111)變?yōu)?200)；在溫度300 ℃和290 V偏壓下沉積的CrN涂層附著性最好，硬度達(dá)到21 GPa。KIRCHLECHNER等[13-14]在350 ℃的溫度下，分別在鋼、硬質(zhì)金屬和硅基片上沉積3 μm左右厚度的CrN涂層，研究了CrN涂層基體/復(fù)合材料的熱疲勞性能，結(jié)果表明：涂層改變了基體的宏觀與微觀應(yīng)力，應(yīng)力松弛是回復(fù)效應(yīng)導(dǎo)致的，在拉應(yīng)力狀態(tài)下涂層會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋，而基體產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形。

利用磁控濺射法制備CrN涂層時(shí)，氮?dú)饬髁勘?、工作氣壓、靶材濺射功率和基體溫度等工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)涂層組織和力學(xué)性能產(chǎn)生影響，且氮?dú)饬髁勘葘?duì)CrN涂層影響相對(duì)較大[15-16]。目前，有關(guān)CrN涂層的研究主要集中在探討不同沉積技術(shù)、不同基體、不同工藝參數(shù)等對(duì)CrN涂層性能的影響，而關(guān)于氮?dú)饬髁勘葘?duì)CrN/YG6性能的影響鮮有研究。為此，本文作者利用直流磁控濺射技術(shù)制備了CrN/YG6涂層，研究了氮?dú)夥謮簩?duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

試驗(yàn)使用JGP-450(沈陽(yáng)科儀公司)型磁控濺射鍍膜設(shè)備，其圓柱形真空室尺寸φ450 mm×360 mm，腔體內(nèi)壁有3個(gè)均勻分布的永磁靶，每個(gè)永磁靶放1個(gè)靶材。試驗(yàn)用靶材為純金屬Cr(純度99.99%，中諾新材)，靶材尺寸均為60 mm×3 mm。濺射時(shí)以氬氣(Ar，純度99.99%，堯天儀器)作為保護(hù)氣體，氮?dú)?N2，純度99.99%，堯天儀器)作為工作氣體，同時(shí)通入氬氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w。靶基距為100 mm，使用的基體材料為YG6(濟(jì)南新宇硬質(zhì)合金公司)，尺寸為10 mm×10 mm×3 mm。

1.2 沉積過(guò)程

刀具基體經(jīng)砂紙打磨、拋光，丙酮超聲波清洗20 min后，與靶材一起放入真空室中，在真空度為2.1×10-3Pa時(shí)，通入氬氣使室內(nèi)工作氣壓達(dá)到0.4 Pa，加負(fù)偏壓-400 V，清洗靶材時(shí)間25 min。首先制備Cr過(guò)渡層，時(shí)間為10 min。然后制備CrN層：打開(kāi)Cr靶材的同時(shí)通入氮?dú)?，通過(guò)調(diào)節(jié)氬氣與氮?dú)獾牧髁勘戎苽洳煌獨(dú)饬髁肯碌耐繉?，鍍膜時(shí)間140 min。鍍膜完成后真空冷卻，然后取出樣品。制備涂層的基體溫度、基體偏壓、基體轉(zhuǎn)動(dòng)速度、靶材功率及工作氣壓等保持不變，具體沉積參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 CrN涂層的沉積參數(shù)Table 1 Deposition parameters of CrN coatings

1.3 結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試

利用D8 advance型多晶X射線衍射儀(CuKα靶，加速電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍20°～90°)對(duì)涂層進(jìn)行物相分析；利用QUANTA FEG 250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)薄膜的表面形貌進(jìn)行觀察；利用MFT-4000劃痕儀測(cè)得涂基結(jié)合力；采用HXD-1000TMSC數(shù)字式顯微硬度計(jì)對(duì)涂層硬度進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)出6個(gè)有效值求平均。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)采用球-平面往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(RTEC MFT-50)，摩擦偶件選用φ6.35 mm的GCr15軸承鋼球。由傳感器實(shí)時(shí)測(cè)出滑動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)；采用白光干涉儀觀測(cè)試驗(yàn)后涂層表面磨痕形貌，并計(jì)算體積磨損體積。由經(jīng)典磨損方程計(jì)算出磨損率ω：

ω=V/(S·p)

式中:V為磨損體積，mm3；S為總的滑動(dòng)距離，mm；p為垂直加載力，N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層的顯微結(jié)構(gòu)

4種不同氮?dú)饬髁勘认轮苽涞腃rN涂層的化學(xué)成分見(jiàn)表2。隨著氮?dú)饬髁勘鹊脑黾油繉又蠳原子的原子分?jǐn)?shù)不斷增加，最后Cr原子與N原子比趨于1∶1。

表2 不同氮?dú)饬髁勘认翪rN涂層的化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of CrN coatings at different nitrogen flow ratios

圖1所示為4種不同氮?dú)饬髁勘认轮苽涞腃rN涂層的XRD圖譜?？芍?種涂層主要存在金屬相Cr、Cr2N、CrN相，說(shuō)明4種氮?dú)饬髁勘认露伎梢猿晒χ苽銫rN，且CrN隨著氮?dú)饬髁勘鹊脑黾訐駜?yōu)取向明顯且衍射峰有明顯變化。當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁勘葹?0%、30%時(shí)，由于氮?dú)夂勘容^低，被激活的N原子量較少，此時(shí)被濺射到基體表面的Cr原子沒(méi)有足夠的N原子與之結(jié)合，造成CrN涂層中N缺位，使其晶格常數(shù)偏低，衍射峰位偏高，無(wú)明顯擇優(yōu)取向，導(dǎo)致晶粒尺寸較大，且晶粒間結(jié)合疏松；當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁勘葹?0%、50%時(shí)，隨著氮?dú)饬髁勘鹊脑龃螅琋原子增多，N缺位減少，CrN結(jié)晶程度提高，晶粒細(xì)化，涂層變得致密。

圖1 不同氮?dú)饬髁勘认翪rN涂層的XRD圖譜Fig 1 XRD spectra of CrN coatings at different nitrogen flow ratios

圖2所示為不同氮?dú)饬髁勘认轮苽涞腃rN涂層的SEM形貌。可以看出，氮?dú)饬髁勘?0%、30%下制得涂層的表面形貌與氮?dú)饬髁勘?0%、50%的涂層有明顯區(qū)別。氮?dú)饬髁勘?0%、30%的涂層存在明顯的柱狀晶，組織疏松，空隙較大，顆粒大小不均勻；氮?dú)饬髁勘?0%、50%的涂層主要以三角錐顆粒的形式存在于涂層中，三角錐顆粒之間的空隙充滿了平面晶粒，顆粒細(xì)小、均勻，結(jié)構(gòu)致密。氮?dú)饬髁勘缺容^小時(shí)，成膜粒子在YG6基體表面擴(kuò)散能力差，成膜粒子更容易與自身粒子結(jié)合，使得自身能量降低，沒(méi)有足夠的能量向基體表面擴(kuò)散。隨氮?dú)饬髁勘鹊脑黾?，轟擊基體的氮粒子數(shù)量增加，使成膜粒子擴(kuò)散能力提高。

圖2 不同氮?dú)饬髁勘认翪rN涂層的表面形貌Fig 2 Surface morphology of CrN coatings at different nitrogen flow ratio

2.2 涂層的力學(xué)性能

利用劃痕試驗(yàn)儀檢測(cè)涂層的結(jié)合力大小，劃痕實(shí)驗(yàn)參數(shù)為劃痕長(zhǎng)度7 mm、終止載荷100 N、加載速度100 N/min，壓頭為金剛石。測(cè)得不同氮?dú)饬髁勘鹊腃rN涂層的結(jié)合力和硬度如圖3所示?？梢钥闯觯S著氮?dú)饬髁勘鹊脑黾?，涂層的結(jié)合力先減小后增大。氮?dú)饬髁勘缺容^小時(shí)，金屬Cr比較多，金屬Cr與金屬的晶格相近親潤(rùn)性較好，結(jié)合力比較好，隨著氮?dú)饬髁勘鹊脑黾?，涂層的相主要是Cr2N、CrN，N的引入產(chǎn)生的晶格畸變產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此涂層的結(jié)合力下降，隨著氮?dú)饬髁勘壤^續(xù)升高，涂層的相主要是CrN，涂層的內(nèi)應(yīng)力降低，因此涂層的結(jié)合力上升。

由圖3還可以看出，涂層的顯微硬度與氮?dú)饬髁勘戎g有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：隨著氮?dú)夂康脑黾?，涂層的顯微硬度先增大后減小。因?yàn)楫?dāng)?shù)獨(dú)饬髁勘容^低時(shí)，涂層的物象主要是金屬Cr，金屬Cr硬度相對(duì)于Cr2N、CrN硬度低，隨著氮?dú)饬髁勘仍龃笸繉娱_(kāi)始出現(xiàn)Cr2N硬質(zhì)相，涂層的硬度直線上升，在Cr2N、CrN混合相時(shí)，硬度達(dá)到最大，隨著氮?dú)饬髁坷^續(xù)增大，硬度反而降低，這是因?yàn)橥繉拥闹飨嗍荂rN，CrN相相對(duì)于Cr2N硬度小。

圖3 不同氮?dú)饬髁勘认翪rN涂層的硬度和結(jié)合力Fig 3 Hardness and adhesion of CrN coatings at different nitrogen flow ratios

2.3 涂層的摩擦學(xué)性能

圖4所示為在恒定加載力5 N、滑動(dòng)距離4.5 mm、滑動(dòng)頻率2 Hz參數(shù)下，摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線。可看出，4種涂層的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)差別不是很大，這是因?yàn)?種涂層的表面相對(duì)都比較平整，且都很快進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，因而摩擦因數(shù)整體較平穩(wěn)。

圖4 不同氮?dú)饬髁勘认碌哪Σ烈驍?shù)變化曲線Fig 4 Friction coefficient curves of the coatings under different nitrogen flow rate ratios

圖5所示為4種不同氮?dú)饬髁勘认翪rN涂層的二維、三維磨痕形貌。可以看出，隨著氮?dú)饬髁勘鹊脑黾?，涂層的磨痕寬度變小、磨損減少及磨痕兩側(cè)有輕微的犁溝和較少的磨屑堆積；4種涂層的磨痕寬度分別為964.30、856.71、730.84、552.54 μm。由圖5所示的CrN涂層三維磨痕可知，隨著氮?dú)饬髁勘鹊脑黾?，涂層表面、溝槽表面凸起變少?種涂層的厚度都在3～4 μm。因?yàn)殡S著氮?dú)饬髁勘鹊脑黾樱繉拥谋砻嬖絹?lái)越致密，涂層硬度、結(jié)合力都有一定程度的提升，提高了涂層抗磨損能力。

圖5 不同氮?dú)饬髁勘认翪rN涂層二維和三維磨痕形貌Fig 5 The two-dimensional and three-dimensional wear trace morphology of CrN coatings under different nitrogen flow ratios

圖6所示為不同氮?dú)饬髁勘认翪rN涂層的磨損率。根據(jù)二維形貌圖計(jì)算磨損體積，由磨損體積、滑動(dòng)距離及加載力計(jì)算出磨損率?？梢钥闯鲭S著氮?dú)饬髁勘鹊脑黾?，磨損率先增大后降低再緩慢升高，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁勘葹?0%時(shí)，涂層的磨損率最低。這與涂層的硬度和結(jié)合力變化趨勢(shì)一致，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁勘葹?0%時(shí)，涂層的硬度和結(jié)合力相對(duì)較大，因而涂層的耐磨性較強(qiáng)。4種涂層的磨損率分別為4.15×10-8、4.76×10-8、2.03×10-8和2.26×10-8mm3/(N·mm )。

圖6 不同氮?dú)饬髁勘认翪rN涂層的磨損率Fig 6 The wear rate of CrN coatings at different nitrogen flow ratios

3 結(jié)論

(1)隨著氮?dú)饬髁勘鹊脑龃?，涂層結(jié)構(gòu)中的顆粒逐漸細(xì)化，且分布趨于均勻，涂層的致密度提高。

(2)隨著氮?dú)饬髁勘鹊脑龃?，涂層結(jié)合力先降低后升高，而涂層硬度表現(xiàn)為先增大后降低，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁勘葹?0%時(shí)達(dá)到最大值HV1 752.5 。

(3)隨著氮?dú)饬髁康闹饾u增大，涂層摩擦因數(shù)變化不大，而隨氮?dú)饬髁勘鹊脑黾?，磨損率先增大后減小再增大，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁勘葹?0%時(shí)達(dá)到最小值為2.03×10-8mm3/(N·mm)。

(4)研究表明，當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁勘葹?0%時(shí)，所制備的CrN涂層具有良好的綜合性能。