(CrTiNb)N多組元硬質反應膜的力學性能

張 鈞, 王 宇, 豐 宇

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

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(CrTiNb)N多組元硬質反應膜的力學性能

張 鈞, 王 宇, 豐 宇

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

采用多弧離子鍍技術,通過Ti-Nb合金靶與Cr單質靶組合,在高速鋼基體上制備了(CrTiNb)N單層硬質反應膜和復合硬質反應膜.利用掃描電鏡、X射線衍射儀對膜層表面、斷面形貌、成分、相結構進行觀察測定;系統(tǒng)考察了膜層的顯微硬度、膜/基附著力、摩擦磨損等力學性能;討論了沉積工藝和Nb元素的添加對膜層組織和性能的影響作用,揭示了(CrTiNb)N復合硬質反應膜可以實現(xiàn)硬度、附著力、耐磨性能的綜合優(yōu)化.

(CrTiNb)N; 顯微硬度; 附著力; 摩擦磨損

近年來,隨著各種PVD、CVD技術的不斷完善,硬質膜的研究和應用取得了長足的進展.就膜層成分來看,已經從單一的金屬氮化物膜發(fā)展為多組元氮化物、多組元碳化物、碳氮化物、氮氧化物等;就膜層結構形式而言,已經從單層硬質膜發(fā)展為雙層硬質膜、成分梯度膜,納米多層膜等;這些膜層成分和結構形式的改進,主要改善了硬質膜的高溫抗氧化性、耐磨性、硬度等力學和物理化學性能[1-5].目前,除了常規(guī)的Ti、Al、Cr等元素外,更多的元素、更為復雜的膜層結構形式也引起了硬質膜研究領域極大的興趣.

作為一種過渡族金屬元素的氮化物,NbN薄膜具有耐磨性能好、硬度高等特點.在TiN膜層中添加Nb組元獲得的(TiNb)N膜層在硬度以及摩擦磨損性能方面的改善已經為一些實驗研究所證實[2,6].因此,研究Nb元素在三組元氮化物中的作用將會有積極的意義.

本研究采用Ti-Nb(x(Ti)∶x(Nb)=75∶25)合金靶及Cr單質靶的組合方式制備(CrTiNb)N單層硬質反應膜及復合硬質反應膜,探索Nb元素的添加對(CrTiNb)N膜層沉積工藝、膜層組織以及力學性能的影響作用,同時對單層膜和復合膜進行比較分析,進而尋求力學性能優(yōu)化途徑與方法.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 (CrTiNb)N硬質反應膜的制備

(Cr,Ti,Nb)N硬質反應膜的沉積試驗設備選用MAD-4B型多弧離子鍍膜機,鍍膜基材選用商用高速鋼W18Cr4V拋光試樣.采用Ti-Nb(x(Ti)∶x(Nb)=75∶25)合金靶及Cr單質靶組合方式作為陰極弧源靶,選用兩個不同高度、不同方位且成90°配置的弧源靶同時起弧.

通過沉積工藝的調整實現(xiàn)兩種膜層構成方式,以便對比研究.首先,在背底真空度達到1.3×10-2Pa,溫度達到160 ℃時通入氬氣,使真空室內壓強維持在(2.0～2.2)×10-1Pa,開啟兩弧源,保持弧電流在55～56 A,偏壓從350 V逐漸增加到400 V,進行離子轟擊約12 min;然后通過調整氣體壓強,分別獲得(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復合膜,具體見表1中的工藝1和工藝2.沉積偏壓選擇為100、150和200 V.

1.2 膜層組織與性能測試

(CrTiNb)N硬質反應膜膜層表面、斷面形貌以及膜層表面成分采用HITACHIS - 3400N掃描電鏡(能譜)進行分析;膜層相結構分析采用X射線衍射儀.表面硬度采用HXD-1000TMB/LCD型顯微硬度計進行測試,載荷9.8 mN,載荷保持時間20 s.附著力采用WS-2005膜層附著力自動劃痕儀進行測試,試驗載荷200 N,加載速率100 N/min,劃痕長度4 mm,劃痕速率2 mm/min,劃痕方式為單往復運動.

摩擦磨損性能采用HT-500型高溫摩擦磨損試驗機測試完成.對磨材料為SiC陶瓷球.試驗設定加載載荷為11.27 N,頻率為10 Hz,樣品滑動圓周半徑分別設定為2.5 mm和5 mm,以便比較滑動速率的影響;試驗溫度為室溫,約20 ℃,加載時間為8 min,摩擦系數(shù)范圍:0～1.

2 實驗結果與討論

2.1 (CrTiNb)N硬質膜表面形貌與成分

(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復合膜的表面液滴數(shù)量均非常少且尺寸很小[7],相比之下容易發(fā)現(xiàn),在相同偏壓下,(CrTiNb)N復合膜的表面液滴均多于(CrTiNb)N單層膜,如圖1所示.

圖1 (CrTiNb)N單層膜及復合膜表面形貌

在不同偏壓下的(CrTiNb)N單層膜沉積過程中,盡管N2氣體分壓的控制是一致的,然而膜層表面的N含量仍然表現(xiàn)為隨著偏壓的增高而有所下降,Ti與Nb元素的含量隨著偏壓的增大而逐漸減小,Cr元素含量隨偏壓的增大而增大;同樣的成分變化趨勢也存在于(CrTiNb)N復合膜,如表2所示.

與弧源合金靶材的成分相比,膜層中Ti與Nb的原子百分比明顯高于合金靶材中Ti與Nb的原子百分比,并且隨著偏壓的增大,膜層中的Ti與Nb的原子百分比逐漸增大,符合由于使用合金靶材而引起的“成分離析”現(xiàn)象特征[8],盡管尚未有關于使用TiNb合金靶的成分離析規(guī)律的報導,但由本試驗結果可以推測,Nb元素的離化率低于Ti元素的離化率.

表2 不同偏壓下(CrTiNb)N膜的化學成分

2.2 (CrTiNb)N硬質膜斷面形貌與N分布

在常溫下采取沖擊斷裂方式獲得的(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復合膜膜層斷面,如圖2所示,均呈現(xiàn)柱狀晶特征,膜層厚度隨偏壓增大無明顯變化, (CrTiNb)N單層膜膜層厚度約0.9 μm,(CrTiNb)N復合膜膜層厚度約為1.0 μm.

圖2 (CrTiNb)N單層膜及復合膜斷口形貌

對于單層膜,由于沉積過程中沒有N2氣壓的變化,膜層成分在膜層厚度方向上是基本一致的;對于復合膜,沉積過程中N2氣體壓強從0到3.0×10-1Pa分三個階段增加,因此在膜層中的N含量隨著膜層生長而逐漸增大,如圖3所示.同時發(fā)現(xiàn),Ti、Cr元素在膜層生長方向上的分布基本不變,Nb元素在接近膜層表面略有減少.

圖3 (CrTiNb)N復合膜中的N分布

不同偏壓下制備的(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復合膜的X射線衍射圖如圖4所示.(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復合膜均具有典型的TiN型面心立方結構(B1型NaCl),并且均呈現(xiàn)(111)面擇優(yōu)生長取向.不同偏壓下,膜層的擇優(yōu)生長取向未發(fā)生改變,這與(TiNb)N膜層的擇優(yōu)生長取向是一致的,本試驗中(CrTiNb)N膜層中N摩爾分數(shù)超過50%,易于保持(111)面生長[9].

在(CrTiNb)N膜層中,Cr、Nb原子取代了晶胞中部分Ti原子的位置形成置換固溶體,由于Cr原子半徑小于Ti原子半徑,Nb原子半徑大于Ti原子,而Cr含量遠高于Nb含量,導致了(CrTiNb)N相的衍射峰向大角度方向偏移(與TiN衍射峰相比).

2.3 膜層附著力與硬度

不同偏壓下(CrTiNb)N單層膜與復合膜的顯微硬度如表3所示.在相近成分下,與(Ti,Cr)N、(Ti,Nb)N等單層膜相比,(CrTiNb)N單層膜的顯微硬度有所提高;而(CrTiNb)N復合膜的顯微硬度高于(CrTiNb)N單層膜.

對于TiAlN、TiCrN、TiZrN等二元合金的氮化物硬質反應膜而言,Al、Cr、Zr等第二組元原子是以置換的方式存在于膜層的點陣中,由于它們與Ti在原子半徑上的差異,使得這些膜層晶格發(fā)生畸變,引起膜層硬度的提高.在(Cr,Ti,Nb)N膜層中Cr、Nb組元的添加,置換TiN晶格中部分Ti原子而引起晶格畸變,進而提高膜層硬度[10-11].

圖4 不同偏壓下(CrTiNb)N硬質膜的X射線衍射圖

(CrTiNb)NI/ACrTiNb沉積偏壓/V顯微硬度/HV(0.01)附著力/N單層膜50551003100±200>1201503150±200>1202003000±200>120復合膜50551003400±200>2001503450±200>2002003450±200>200

(CrTiNb)N復合膜的結合力均大于200 N,明顯高于(CrTiNb)N單層膜,這可以歸因于整個膜層結構組成的優(yōu)化,即,在沉積反應膜之前,預先沉積了一薄層CrTiNb金屬膜,能夠增強膜層與基體之間的結合;其次,在沉積反應膜的過程中通過逐漸增大氮氣分壓,以使膜層呈現(xiàn)一定的成分梯次變化,由金屬逐步過渡到氮化物;此外,由于只用兩個弧源進行鍍膜,在鍍膜過程中沉積溫度沒有提升,也降低了膜層生長熱應力.

2.4 膜層的摩擦磨損性能

(CrTiNb)N反應膜在不同旋轉半徑(2.5 mm、5 mm)下進行摩擦試驗,旋轉半徑決定了膜層表面與SiC球之間相對滑動速度.半徑越大,速度越快,對磨材料磨損加重,表現(xiàn)為磨痕上黑色粉末增多,摩擦磨損過程不穩(wěn)定.從(CrTiNb)N單層膜和復合膜的磨損表面形貌容易發(fā)現(xiàn),試驗半徑的增大,導致膜層摩擦后磨痕形貌較寬,磨損軌跡有一定波動,150 V沉積偏壓下制備的(CrTiNb)N單層膜和100 V沉積偏壓下制備的(CrTiNb)N單層膜(CrTiNb)N復合膜的磨損形貌,見圖5.隨著偏壓的增大,(CrTiNb)N單層膜和(CrTiNb)N復合膜的摩擦系數(shù)均降低,見圖6.

圖5 (CrTiNb)N膜層表面磨損形貌

圖6 (CrTiNb)N單層膜及復合膜的摩擦系數(shù)曲線

對比(CrTiNb)N單層膜摩擦試驗后的磨痕形貌,(CrTiNb)N復合膜表現(xiàn)為膜層摩擦后磨損量較少,磨痕較淺,摩擦系數(shù)明顯降低,由此看出,(CrTiNb)N具有更優(yōu)的耐磨性能.

3 結 論

采用多弧離子鍍技術并使用鈦鈮合金靶和純鉻靶雙靶組合制備了(CrTiNb)N單層膜和復合膜,通過對試驗結果的討論分析,可以得出以下結論:在沉積偏壓100～200 V的范圍內,(CrTiNb)N單層膜和復合膜均為具有(111)面擇優(yōu)生長取向的面心立方結構;與(CrTiNb)N單層膜相比,(CrTiNb)N復合膜具有更好的附著性能、更高的硬度以及更優(yōu)的耐磨性能,從而保證了硬度、膜/基結合力、耐磨性的同時實現(xiàn).

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【責任編輯: 趙 炬】

Mechanical Properties of (CrTiNb)N Multi-Components Hard Reactive Films

ZhangJun,WangYu,FengYu

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

(CrTiNb)N single-layer hard reactive films and (CrTiNb)N composite hard reactive films were prepared by multi-arc ion plating (MAIP) technology using the combination of Ti-Nb alloy target and Cr target. The high speed steel (HSS) was adopted as substrate. The surface and cross-fracture morphology, the surface compositions and the phase structures of the as-deposited films were observed and measured by scan electronic microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The mechanical properties including the micro-hardness, the adhesion between film and substrate, the friction and wear resistance of the as-deposited films were systemically investigated. The effects of deposition process and the addition of Nb element on the as-deposited films were discussed. It is revealed that the optimally comprehensive performances including the micro-hardness, the adhesion and also the friction can be achieved by the (CrTiNb)N composite hard reactive films.

(CrTiNb)N; micro-hardness, adhesion; frictional wear

2016-08-25

遼寧省科技基金資助項目(2015020216).

張 鈞(1966-),男,遼寧錦州人,沈陽大學教授,博士.

2095-5456(2016)05-0345-06

TB 43

A