沉積氣壓對氮化釩(VN)涂層微結構及其性能的影響*

劉怡飛 包改磊 李助軍 李 磊 羅錫才 田燦鑫

(1.廣州鐵路職業(yè)技術學院機電工程學院 廣東廣州 510430 ；2.華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心 廣東廣州 510640；3.嶺南師范學院物理科學與技術學院 廣東湛江 524048)

隨著現代加工制造技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的硬質合金和高速鋼刀具難以滿足現代切削技術的要求，從而限制其在加工領域的應用。涂層刀具是應市場需求發(fā)展起來刀具新產品，具有優(yōu)良的綜合力學性能，機械加工效率及其使用壽命大幅度提高[1-2]。

離子鍍是在真空蒸發(fā)鍍膜和磁控濺射鍍膜技術基礎上發(fā)展起來的物理氣相沉積技術,具有沉積速率快、溫度低、制備膜層結構致密、純度高等優(yōu)點。多弧離子鍍是基于冷陰極弧光放電基礎上發(fā)展起來的一種離子鍍膜技術，離化率高，沉積速率快，得到廣泛應用[3-5]。

氮化釩(VN)為面心立方結構，硬度低，但具有自潤滑特性，且具有耐磨性好、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和較低的電阻率等特性，屬于高硬度陶瓷材料，常用于涂層材料來改進刀具表面耐磨性能，提高刀具使用壽命，引起了廣泛的關注[6-7]。許蓓蓓等[8]利用陰極電弧離子鍍制備VN涂層，研究了不同載荷下涂層的摩擦磨損行為，發(fā)現因VN涂層韌性不足、抗塑性變形能力弱等原因，隨載荷增加其磨損率增大。FATEH 等[9]采用磁控濺射制備了 VN 涂層，發(fā)現在高溫環(huán)境下VN涂層的摩擦因數由常溫的0.45降低到0.25。MU 等[10]采用碳摻雜來改善VN涂層的高溫摩擦學性能，發(fā)現高溫下涂層的摩擦因數急劇下降，VN涂層硬度為20 GPa，耐磨性不足。

不同的沉積方法、不同的工藝參數所制備出的VN涂層結構、性能差異較大。目前，多弧離子鍍低溫度制備VN涂層的研究報道較少，沉積工藝對多弧離子鍍VN涂層的微觀結構及其性能影響的研究尚不夠深入。本文作者采用多弧離子鍍技術，在YT15硬質合金刀片上制備VN涂層，系統(tǒng)研究N2氣壓對VN涂層結構、力學以摩擦性能的影響，為VN涂層的工藝開發(fā)提供理論依據。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試驗采用13 mm×13 mm×3.5 mm的YT15硬質合金刀片作為襯底，鍍膜前先對硬質合金刀片進行拋光，清洗干凈后裝爐。將基底加熱到450 ℃并保溫2 h，當真空度達到8×10-3Pa時，在2 Pa Ar氣壓和-800 V偏壓下，對基底進行30 min輝光清洗；然后再用陽極層用離子源對基底進行30 min離子刻蝕；最后在鍍膜前用V金屬離子轟擊10 min，以增強涂層與基體結合力。使用北京丹普自動控制離子鍍膜機鍍膜，鍍膜完畢后降溫取出試樣。工藝參數如表1所示。

表1 VN涂層的沉積工藝參數

1.2 表征與分析

通過X射線衍射儀(XRD)及X射線光電子能譜儀(XPS)測定涂層的微結構及結合能，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測涂層的表面形貌。采用MH-500D維氏硬度計測量VN涂層的硬度，試驗載荷0.5 N，隨機測量10個點并取平均值。通過劃痕儀測試涂層的膜基結合力，根據摩擦力曲線斜率變化來判定膜基結合的臨界載荷Lc，每個樣品隨機測3次取平均值，劃痕長度5 mm，壓載為0～100 N逐漸加載。室溫下通過UMT-Tribo Lab摩擦磨損試驗機測試VN涂層的摩擦因數，對摩材料為Si3N4陶瓷球，直徑為6 mm。試驗參數為：載荷5 N，球盤轉速0.05 m/s，對摩時間30 min。

2 結果與討論

2.1 涂層的晶體結構

圖1所示為不同N2氣壓下所制備的VN涂層的XRD圖譜。圖譜中出現了TiC與Co的基底峰和涂層的衍射峰，基底峰的出現可能是因為涂層較薄X射線能夠直接穿過涂層到達基體硬質合金表面所致。圖譜中還出現了較小的V2N取向為(111)的衍射峰。在VN的衍射峰中，有(111)、(200)、(220)3種取向，其中(200)晶面的峰值最強。隨著沉積氣壓的增大，VN涂層各晶面的峰值逐漸增強，并且沒有其他雜質峰的出現，表明所制備的VN涂層純度較高[11-12]。

圖1 不同沉積氣壓下VN涂層的GIXRD圖譜

為了進一步確定涂層中V原子的化學鍵結合形式，對不同沉積氣壓下制備的VN涂層進行XPS檢測，經過XPSPEAK擬合后的圖譜如圖2所示。圖中V元素的結合能在504 eV與525 eV之間，2個V元素的2p3峰分別位于513.7 eV和516.7 eV，通過對比XPS電子結合能譜數據庫，結合能為513.7 eV對應于VN相的結合能，結合能為516.7 eV對應于V2O5的結合能。綜合GIXRD衍射峰變化，隨著沉積氣壓的逐漸增大，VN涂層中V元素主要以VN相存在，有少量的V2N和V2O5存在[13-14]。

圖2 不同沉積氣壓下VN涂層中V元素的XPS能譜

2.2 涂層的表面形貌

圖3所示為不同N2氣壓下VN涂層的表面形貌?？芍?，隨著沉積氣壓的增大，大顆粒及凹坑數量有一定程度的減少，但大顆粒依然存在，大顆粒尺寸約7 μm。據文獻報道，由多弧離子鍍膜靶材表面飛濺出來的金屬熔滴帶負電[15]。隨著沉積氣壓增加，金屬液滴所帶的負電增多，受負偏壓的排斥阻力增大，到達基體表面的液滴數量減少，使涂層的表面形貌趨于平整。同時沉積過程中靶材“中毒”現象加劇[16-18]，也遏制了大顆粒從靶材濺出，因此涂層表面大顆粒及凹坑減少并逐漸趨于平整。

圖3 不同沉積氣壓下VN涂層表面SEM圖

2.3 顯微硬度及膜層厚度

圖4所示為不同沉積氣壓下制備的VN涂層截面形貌?？梢钥闯?，在不同沉積氣壓下，獲得的涂層厚度差異較大，最厚為1.8 μm，最薄1.1 μm。圖5所示為不同N2氣壓下制備的VN涂層的厚度與顯微硬度變化曲線?？梢?，涂層的顯微硬度隨著N2氣壓增大先增大后減小。當沉積氣壓從0.5 Pa增大到1.0 Pa時，膜層厚度有一定的減小，顯微硬度增大。這是由于隨著氣壓升高，真空腔體內等離子體密度增大，離子對涂層表面的平均轟擊作用增強，導致膜層更致密，因此涂層的厚度有一定減小，顯微硬度卻有一定的增大，達到最大值HV2 284。但隨著N2氣壓的進一步升高，真空腔體內等離子體進一步增多，參與成膜粒子與氣體離子碰撞加劇，運動過程中能量損失增大，對涂層表面轟擊能量減弱，影響涂層致密度，膜層組織疏松，厚度雖增大，但顯微硬度下降。當沉積氣壓為2.0 Pa時，隨著碰撞加劇，能夠運動到基體表面參與成膜的粒子有所減少，且這些離子在運動過程中能量損失更大，對涂層表面轟擊能量進一步減弱，因此涂層厚度與顯微硬度均出現明顯的下降趨勢。

圖4 不同N2氣壓下VN涂層的截面形貌

圖5 不同沉積氣壓下VN涂層的顯微硬度和膜層厚度

2.4 膜基結合力

圖6所示為不同沉積氣壓下制備的VN涂層與基體的結合力。不同N2氣壓下制備涂層的膜基結合力變化如圖7所示。隨著沉積N2氣壓增大，膜基結合力呈現先增大后減小的趨勢。其原因可能是因為隨著氣壓升高，離子數量增多，離子的轟擊作用增強，膜層致密性提高，因此膜基結合力有一定的提高；但隨著沉積N2氣壓的進一步升高，膜材粒子與氣體離子碰撞加劇，能量損失較大，對基體及涂層表面轟擊能量減弱，膜層致密性減弱，因此膜基結合力出現明顯下降趨勢。

圖7 不同沉積N2氣壓下VN涂層膜基結合力

2.5 摩擦因數

圖8為不同沉積N2氣壓下制備VN涂層的摩擦因數曲線?？梢?，基體的平均摩擦因數為0.95，各涂層的摩擦因數相對于基體有所減小，其中沉積N2氣壓為2.0 Pa時摩擦因數下降最為明顯。

圖9所示為VN涂層平均摩擦因數隨沉積氣壓變化曲線。可知，隨著沉積氣壓增大，涂層平均摩擦因數先增大，在沉積氣壓為1.5 Pa時平均摩擦因數達到最大值0.9；當沉積氣壓進一步增大時，平均摩擦因數降低，到沉積氣壓為2.0 Pa時，摩擦因數降低到0.78。

摩擦因數與涂層的表面形貌、組織結構、硬度、結合力等有較大關系[19]。不同階段摩擦因數的主要影響因素不同，沉積氣壓從0.5 Pa增大到1.0 Pa時制備的涂層的平均摩擦因數沒有明顯變化，可能是由于兩者表面形貌沒有較大區(qū)別，且膜層致密性與膜基結合力相差不大；當沉積氣壓增大到1.5 Pa時膜層硬度相對減小，且膜層致密度相對下降，摩擦因數達到最大值；當沉積氣壓進一步增大到2.0 Pa時，摩擦因數出現明顯下降，這一過程與涂層表面顆粒及凹坑較少有關(如圖3所示，在沉積氣壓2.0 Pa下制備的涂層表面質量更優(yōu))，與涂層晶相結構有關(如圖1所示，在沉積氣壓2.0 Pa下制備的涂層以VN相為主)。FALLQVIST和OLSSON[20]采用電弧蒸發(fā)制備的VN基涂層中，也觀察到類似的現象。

圖8 基體和不同沉積N2氣壓下VN涂層摩擦因數

圖9 VN涂層平均摩擦因數隨沉積氣壓變化曲線

3 結論

(1)采用多弧離子鍍技術制備VN涂層呈晶態(tài)，以VN相為主，隨著沉積氣壓增大，VN涂層以(200)晶面擇優(yōu)形成。隨著沉積氣壓的增大，其表面大顆粒及凹坑有一定程度的減少，涂層表面平整度提高。

(2)隨著沉積氣壓增大，VN涂層的顯微硬度、膜基結合力均呈現先升高再降低的趨勢，均在沉積氣壓為1.0 Pa時達到最大值，分別為HV2 284和44 N。

(3)N2氣壓對VN涂層摩擦因數影響較大，在2 Pa N2氣壓下制備的涂層摩擦因數波動較小，摩擦因數平均值為0.8。