鑄造Al-Si合金表面氣相沉積TiN薄膜的耐磨性能

譚銀元

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研處,湖北武漢 430050)

耐磨性是衡量材料表面耐用性的一項很重要的性能指標(biāo),有文獻(xiàn)表明,當(dāng)前材料約有80%失效是由磨損引起的[18],這給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失,因此,提高零件表面耐磨性一直是人們致力研究的內(nèi)容。采用氣相沉積技術(shù)在材料表面沉積硬質(zhì)涂層是提高材料耐磨性的重要途徑之一,硬質(zhì)涂層最顯著的特點(diǎn)是具有高硬度和高耐磨性,涂層的耐磨性是評估一種硬質(zhì)涂層優(yōu)劣的重要指標(biāo),關(guān)系著鍍膜材料的使用壽命,是硬質(zhì)薄膜材料設(shè)計中必須考慮的問題。鍍層材料本身的特性是決定耐磨性的根本因素,耐磨性也在一定程度上反映了涂層的硬度和結(jié)合力,而且僅在零件的表面或特殊部位獲得特殊性能涂層,使基體仍保持原有的組織和成分是一種經(jīng)濟(jì)、有效的措施。本文選擇ZL109材料為研究對象,采用多弧離子鍍技術(shù),在鑄造鋁合金表面沉積TiN薄膜并對膜的耐磨性能進(jìn)行研究。

1 試驗過程

試驗用材料為ZL109,試樣規(guī)格為:20 mm×10 mm×10 mm,其化學(xué)成分如表1。離子鍍用靶材為純度為 99.99%的 Ti靶,靶直徑為100 mm,工作氣體為工業(yè)氮?dú)?純度為99%)和氬氣(純度為99.99%)。沉積試驗在DHD-8型多弧離子鍍設(shè)備上進(jìn)行。試驗前基體的處理工藝為:粗磨→精磨→鏡面拋光→丙酮溶液中超聲波清洗兩次→無水乙醇脫水→烘干→裝爐。

將試樣放入真空室內(nèi),抽至底真空后,充氬氣到5～10 Pa,在工件上加負(fù)偏壓500～600 V(2～3 min)后升到900 V。使氬氣在低壓放電的情況下形成淡紫色等離子體輝光,同時在電場作用下,具有高能量的氬離子對工件進(jìn)行轟擊。輝光清洗結(jié)束后,氬氣降至2 Pa左右,在工件上加900 V負(fù)偏壓,點(diǎn)燃Ti靶,利用高能量金屬離子對基體進(jìn)行轟擊。鍍膜過程工藝參數(shù)為:

1)烘烤溫度約300℃,底真空度:1×10-2～2×10-2Pa;

2)氬氣輝光清洗(時間10～30 min氣壓5～10 Pa負(fù)偏壓900 V);

3)靶的弧光清洗(時間7-10 min轟擊到500℃氣壓2-4 Pa負(fù)偏壓900V僅有Ti靶電流80 A);

4)鍍鈦(時間約1 min負(fù)偏壓300 V氣壓2-4 Pa Ti靶電流同沉積氮化鈦電流溫度550℃);

5)沉積TiN(溫度、偏壓、沉積時間、濺射時間依據(jù)事先的試驗設(shè)計方案,爐內(nèi)總壓為1 Pa,其中Ar和N2流量比為1:2,Ti靶電流80 A)。

本試驗采用WTM-1E摩擦試驗儀對鍍有TiN膜試樣與未鍍膜試樣進(jìn)行摩擦磨損試驗。試驗所用對磨材料是硬度為60.5 H RC,直徑為3 mm的GCr15小鋼珠。設(shè)定載荷為100 g力,轉(zhuǎn)速為200 r/min,回轉(zhuǎn)半徑為2 mm。磨損時間分別為1、5、10、15和20 min,然后觀察磨痕的形貌和寬度隨時間的變化。用型號為NU-2的光學(xué)顯微鏡觀察磨痕形貌。

表1 試驗用ZL109化學(xué)成分(wt%)

2 試驗結(jié)果

從圖1可以看出,TiN膜磨損1min之后的磨痕明顯輕微,而且隨著磨損時間的延長,磨痕的寬度變化很小。而未鍍膜試樣隨著磨損時間的延長,磨痕逐漸變寬、加深。磨損5min之后的TiN膜磨痕比磨損1min的TiN膜稍深,其磨痕寬度變寬。磨損10min之后的TiN膜,其磨痕相對磨損5min的有所加寬,而且出現(xiàn)了少許的溝槽。磨損15、20min的TiN膜,其磨痕寬度嚴(yán)重加大,而且磨損面上出現(xiàn)了嚴(yán)重的犁溝。

從低倍照片可以看出,未鍍膜試樣的磨痕寬窄不均,而TiN涂層的磨痕均勻光滑,而且很窄。未鍍膜試樣最寬的寬度幾乎是TiN磨痕的兩倍。從高倍照片可看到,未鍍膜試樣在磨損過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的大塊疲勞剝落現(xiàn)象,TiN涂層試樣在磨痕也顯示了少許犁溝,TiN涂層試樣磨損后表面平整。

圖1 TiN涂層試樣與與未鍍膜試樣磨痕形貌隨時間的變化

圖2為TiN涂層試樣與未鍍膜試樣磨痕大小隨時間的變化,可以看出,鍍有TiN的試樣磨痕寬度從一開始就比未鍍膜試樣小很多,隨著時間的增加,鍍有TiN試樣磨痕寬度增加幅度也比較小。未鍍膜試樣磨痕寬度隨磨損時間的延長急劇增加,而鍍有TiN試樣的磨痕寬度在15min后才開始加大。

圖2 為TiN涂層試樣與未鍍膜試樣磨痕大小隨時間的變化

3 磨損機(jī)理分析

根據(jù)F.P.鮑登(Bowden)和D.泰伯(T abor)提出的粘著摩擦理論,由于 Gr15鋼較硬(HRC63),而鋁合金基體較軟(HV155),當(dāng)Gr15鋼硬表面在鋁基體軟表面上滑動時,硬金屬上的微凸體壓入軟表面使之塑性變形劃出了溝槽。由此說明未鍍試樣在一開始就進(jìn)入了犁溝磨損階段,而鍍有TiN的試樣剛開始只是輕微的擦傷。

磨痕變寬的原因?qū)嶋H上是由于磨損接觸面積的增大。在未鍍試樣與鋼球?qū)δミ^程中,磨擦副切削下來的硬顆粒作為硬質(zhì)磨料而加大了磨損,磨損去除機(jī)制由犁溝轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^切削,因此未鍍試樣在對磨時隨時間的延長磨損嚴(yán)重加劇,鋼球壓入鋁基體的深度加深,接觸面積變大直接導(dǎo)致了磨痕的變寬。而對于鍍有TiN的試樣,根據(jù)磨痕形貌,試樣磨損15分鐘,磨痕比較光滑平整,只有少量的剝落,看不到犁溝,磨損機(jī)制以粘著磨損為主。這是由于TiN的硬度大,磨擦系數(shù)小,當(dāng)鋼珠被磨平之后,再與其發(fā)生摩擦?xí)r,產(chǎn)生的磨損量很小,所以接觸面積變化很小,而且磨痕被越磨越光。當(dāng)磨損20min時,從磨痕形貌看到,試樣已出現(xiàn)了明顯的犁溝,說明磨損已進(jìn)入了微觀切削,磨損后期發(fā)生的磨粒磨損不僅加快了其自身的磨損,也使GCr15小鋼珠的磨損加速,從而磨損接觸面積越來越大,磨損加重,磨痕也越來越寬。由以上分析可知,對于未鍍試樣,與鋼球?qū)δr一開始就進(jìn)入了犁溝磨損表現(xiàn)出磨痕很寬,磨痕增加副度很大,而鍍有TiN的試樣剛開始痕寬及增加副度很小是由于粘著磨損的結(jié)果。

對于TiN來說,其晶體結(jié)構(gòu)均屬于NaCl型,且其晶格常數(shù)很相近[21]。但是,Ti在這兩種晶體中與最近鄰的異類原子所形成的最強(qiáng)鍵的共價電子數(shù),對于TiN為nA=0.5367。因此,TiN的共價性較強(qiáng),即Ti、N原子之間形成的共價鍵能較高,因此,Ti、N原子之間的結(jié)合力較強(qiáng)。材料在發(fā)生塑性變形時,破壞原來晶體中的共價鍵配合需消耗一定的能量,并且原來共價鍵的結(jié)合越強(qiáng),則抵抗變形的能力增加,宏觀上就表現(xiàn)為硬度增加,即 TiN膜的硬度高較。硬度越高,塑性變形抗力越大,越不容易在接觸點(diǎn)形成焊合,摩擦系數(shù)也就越低。另一方面,鍍膜后鑄鋁的表面形成了非金屬性質(zhì)的摩擦面,氮化物的表面層可以抑制摩擦過程中摩擦副之間的粘附、熔附以及由此引起的金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,從而降低摩擦系數(shù)。

4 結(jié) 論

在相同的磨損條件下,鍍有TiN薄膜的鑄造Al-Si合金具有比未鍍膜鑄造Al-Si合金更優(yōu)異的耐磨性。未鍍膜試樣表面由于發(fā)生磨粒磨損,在磨損過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的微觀切削現(xiàn)象;TiN涂層表面以粘著磨損為主,其磨痕存在剝落,并且隨著磨損時間的延長,磨損機(jī)制由粘著磨損轉(zhuǎn)為磨粒磨損,未鍍膜試樣的磨痕寬度幾乎是TiN磨痕的2倍。

1 1M.L.McConnell,D.P.Dowling,N.Donnelly,et al.The effect of thermal treatments on the tri-biological properties of PVD hard coatings[J].Surf.Coat.T echnol,1999,(116-119):1133～1137.

2 張 清.金屬磨損和金屬耐磨材料手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991(1).

3 王 雷,張靜浩.耐磨材料及其應(yīng)用[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

4 王永康,雷霆權(quán),夏立方.Ti0.5Al0.5N涂層的抗高溫氧化行為[J].材料工程,2001(1):12～14.