沉積溫度對20CrMnTi滲碳鋼表面電弧離子鍍CrN涂層微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響

楊 虎，王仁鑫，郭子銘，林榮川

(集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院，廈門 361021)

0 引 言

煤炭是我國最主要的一種能源[1]，隨著能源消耗的日益增加，開采煤礦的任務(wù)也變得更加繁重。目前，國內(nèi)開采煤礦主要依賴大型機(jī)械設(shè)備，而設(shè)備長期在高速、重載、振動(dòng)、沖擊、摩擦磨損等惡劣工況條件下作業(yè)[2]，導(dǎo)致設(shè)備零部件容易發(fā)生磨損、斷裂和腐蝕等失效。20CrMnTi滲碳鋼具有良好的低溫沖擊韌性，常用于制作高速?zèng)_擊重載礦山機(jī)械軸套，但在惡劣環(huán)境下長時(shí)間工作后也會(huì)出現(xiàn)腐蝕、斷裂等現(xiàn)象。為延長其使用壽命，可對其進(jìn)行表面改性處理。CrN涂層作為典型的物理氣相沉積硬質(zhì)涂層，具有較高的硬度以及良好的耐磨和耐腐蝕性能、高溫抗氧化性能[3-6]，可作為工模具和切削刀具的表面耐磨防腐涂層。REN等[7]研究發(fā)現(xiàn)，采用直流磁控濺射技術(shù)在304不銹鋼表面沉積CrN涂層，能顯著提高基體的耐磨性能。王永光等[8]研究發(fā)現(xiàn)，采用電弧沉積技術(shù)在40Cr鋼齒輪表面制備CrN涂層后，可提高齒輪在低速重載下的耐磨性能。朱峰等[9]采用離子鍍技術(shù)在活塞環(huán)表面制備CrN涂層并與合金鑄鐵缸套配對，發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)的磨損量大幅度降低。物理氣相沉積技術(shù)具有沉積溫度低、沉積速率快、對環(huán)境無污染以及所制備涂層硬度高、耐磨耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)[10-12]；該技術(shù)主要分為真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍?nèi)?，其中離子鍍是應(yīng)用最廣泛的一種鍍膜工藝，而電弧離子鍍作為其中的一種方法，具有粒子繞射性好和膜基結(jié)合力大等優(yōu)點(diǎn)。目前，有關(guān)電弧離子鍍技術(shù)制備CrN涂層的工藝研究主要集中在基體負(fù)偏壓及占空比兩參數(shù)上[13]。在電弧離子鍍中，沉積溫度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，其值的確定主要取決于基體的回火溫度：如果沉積溫度遠(yuǎn)高于回火溫度，會(huì)導(dǎo)致基體發(fā)生二次回火，基體硬度下降；如果沉積溫度遠(yuǎn)低于回火溫度，會(huì)導(dǎo)致轟擊能量較低，影響涂層致密性[14]。20CrMnTi滲碳鋼的回火溫度較低，一般在180 ℃左右；而目前采用電弧離子鍍制備CrN涂層的沉積溫度一般在400～450 ℃[15-16]，有關(guān)較低沉積溫度下制備CrN涂層的研究較少。因此，作者在120，150,180 ℃沉積溫度下采用電弧離子鍍技術(shù)在20CrMnTi滲碳鋼表面制備CrN涂層，研究了沉積溫度對涂層微觀結(jié)構(gòu)、硬度和摩擦磨損性能的影響，以期為優(yōu)化工藝參數(shù)而制備出性能優(yōu)異的涂層提供一定的試驗(yàn)指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

基體材料為尺寸φ20 mm×3 mm的20CrMnTi滲碳鋼，其化學(xué)成分見表1，熱處理工藝為930～950 ℃油淬→滲碳→180 ℃回火?；w經(jīng)打磨、超聲清洗后，采用ICS-S800型電弧離子鍍膜設(shè)備制備CrN涂層，靶材(純度99.9%鉻)為陰極，基體為陽極，預(yù)抽真空到0.5 Pa，將基體分別加熱到120，150，180 ℃，通入氬氣(流量200 mL·min-1)，氬氣在輝光放電下電離形成 Ar+，Ar+在基體負(fù)偏壓的吸引下刻蝕基體12 min，去除基體表面的氧化物；隨后通入氮?dú)?流量150 mL·min-1)，基體偏壓為-100～-200 V，電流為110～170 A，沉積時(shí)間為166 min。

表1 20CrMnTi鋼的化學(xué)成分

按照J(rèn)B/T 7707-1995，采用球痕法測量不同溫度沉積得到涂層的厚度，鋼球直徑為20 mm，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為15 min，停止研磨后擦凈試樣表面，在VK-X1000型激光共聚焦顯微鏡上放大100倍后測量研磨凹坑的尺寸，計(jì)算涂層的厚度。利用XRD-6100型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成，采用銅靶，Kα射線，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描范圍為20°～90°，掃描速率為3(°)·min-1，掃描步長為0.02°。利用VK-X1000型激光共聚焦顯微鏡測涂層的表面粗糙度Ra，并得到涂層的表面三維形貌。采用 FALCON511型維氏硬度計(jì)對涂層的硬度進(jìn)行測試，測5次取平均值，載荷為0.25 N，保載時(shí)間為15 s。利用HDS-I型X射線應(yīng)力測定儀對涂層進(jìn)行殘余應(yīng)力分析,采用鉻靶，Kα射線，管電壓為22 kV，管電流為6 mA，測試范圍2θ為150°～162°。利用MM-2HB型環(huán)塊滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對涂層進(jìn)行干摩擦磨損試驗(yàn)，施加載荷為20 N，對磨環(huán)材料為45鋼，尺寸為φ40 mm×10 mm，轉(zhuǎn)速為400 r·min-1，磨損時(shí)間為30 min。利用Phenom XL型臺(tái)式掃描電子顯微鏡(SEM)對摩擦磨損試驗(yàn)前后涂層的表面形貌進(jìn)行觀察，并用附帶的能譜儀(EDS)對摩擦磨損試驗(yàn)后涂層表面的微區(qū)成分進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 厚度、物相組成和表面質(zhì)量

圖1 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的XRD譜Fig.1 XRD patterns of prepared CrN coating at different deposition temperatures

利用球痕法計(jì)算得到沉積溫度為120,150,180 ℃時(shí)，涂層的厚度分別為1.699,1.833,1.842 μm，涂層厚度隨沉積溫度的升高而增大。這是由于在一定范圍內(nèi)，隨著沉積溫度升高，吸附原子的活性增強(qiáng)，涂層沉積速率增加，導(dǎo)致涂層的厚度增加[17]。由圖1可知，不同沉積溫度下CrN涂層均出現(xiàn)了六方晶體結(jié)構(gòu)Cr2N相和面心立方結(jié)構(gòu)CrN相的衍射峰，說明涂層中均出現(xiàn)了CrN和Cr2N相，其中CrN(101)衍射峰強(qiáng)度較高，說明涂層在此方向結(jié)晶較好。由于低溫沉積時(shí)原子活性低，不足以全部形成能量較高的CrN相，因此CrN涂層中出現(xiàn) Cr2N相[18]。120,180 ℃沉積溫度下制備的CrN涂層還出現(xiàn)了CrN(220)、CrN(222)和Cr2N(021)相衍射峰，且CrN(220)衍射峰的峰形不明顯，相對強(qiáng)度較弱，呈非晶化趨勢。

由圖2可以看出，不同沉積溫度下制備的涂層表面隨機(jī)分布著一些白色顆粒、針孔和凹坑缺陷。白色顆粒是由電弧離子鍍沉積過程中產(chǎn)生的液滴飛濺并黏附在涂層表面所致。大顆粒的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重影響涂層表面質(zhì)量，可通過阻擋屏蔽裝置、電場抑制、調(diào)整工藝參數(shù)等方法來減少甚至完全消除[19]。針孔和凹坑主要是因?yàn)橐旱物w濺造成的陰影效應(yīng)和涂層競相生長所致[20-21]。涂層表面所呈現(xiàn)的條帶狀形貌是在基體拋光過程中形成的劃痕。相比于120 ℃和180 ℃下制備的涂層，150 ℃下制備的CrN涂層表面白色顆粒、針孔、大凹坑缺陷較少，表面質(zhì)量較好。

圖2 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的表面微觀形貌Fig.2 Surface mircomorphology of prepeared CrN coating at different deposition temperatures

圖3 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的表面三維形貌Fig.3 Three dimensional surface topography of prepared CrN coating at different deposition temperatures

基體表面的平均表面粗糙度為0.197 8 μm。由表2可以看出，在基體表面沉積CrN涂層后，其表面粗糙度降低，且150 ℃下制備得到CrN涂層的表面粗糙度最小。由圖3可以看出,120 ℃下制備的CrN涂層表面存在明顯的大顆粒，150 ℃下制備的涂層表面較平整，180 ℃下制備的涂層表面可觀察到明顯的凹坑，與微觀形貌的觀察結(jié)果相吻合，進(jìn)一步說明了150 ℃下制備的CrN涂層具有較好的表面質(zhì)量。

表2 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的表面粗糙度

2.2 殘余應(yīng)力和硬度

基體的硬度為340.76 HV，沉積溫度為120,150,180 ℃時(shí)，涂層的平均硬度分別為561.11,754.29,734.14 HV。可知CrN涂層可有效提高基體表面硬度，并且隨著沉積溫度的升高，涂層的硬度呈先升高后降低的趨勢，150 ℃下制備得到CrN涂層的硬度最高。隨著沉積溫度的升高，粒子轟擊能量增大，涂層更加致密，涂層的硬度提高；但當(dāng)溫度過高時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)加劇，涂層中凹坑等缺陷增多，硬度略微降低[22]。殘余應(yīng)力包括涂層與基體熱膨脹系數(shù)差異引起的熱應(yīng)力以及沉積過程中缺陷產(chǎn)生所引起的生長應(yīng)力。沉積溫度為120,150,180 ℃時(shí)，涂層中的殘余應(yīng)力分別為-140，-262，-206 MPa?？芍?dú)堄鄳?yīng)力均為壓應(yīng)力，且殘余壓應(yīng)力的變化趨勢與硬度一致，當(dāng)沉積溫度為150 ℃時(shí)，殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值。

2.3 摩擦磨損性能

由圖4可以看出:在試驗(yàn)時(shí)間0～10 min內(nèi)，120 ℃下制備得到的CrN涂層摩擦因數(shù)較低，平均值為0.184 2，隨著時(shí)間的延長，摩擦因數(shù)增大，且波動(dòng)較大，在試驗(yàn)時(shí)間10～30 min內(nèi)的平均摩擦因數(shù)為0.253 7；150 ℃下制備得到的CrN涂層在整個(gè)試驗(yàn)過程中的摩擦因數(shù)波動(dòng)較小，平均摩擦因數(shù)為0.251 7；180 ℃下制備的涂層在整個(gè)摩擦過程中的摩擦因數(shù)較大，波動(dòng)較小，平均值為0.426 4。摩擦因數(shù)的大小與表面質(zhì)量有關(guān)，表面缺陷越多，表面粗糙度越大，摩擦因數(shù)越大，150 ℃制備的涂層表面缺陷最少，表面粗糙度最低，此時(shí)摩擦因數(shù)最低。

圖4 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Friction coefficient vs time curves of prepared CrN coatings at different deposition temperatures

由圖5可以看出，120 ℃下制備得到的CrN涂層在試驗(yàn)30 min后，其磨損表面出現(xiàn)大量凹坑和劃痕；位置1與位置2處表面碳、氧和鐵含量較多，遠(yuǎn)多于基體中各元素含量，鉻元素含量較低，且位置2處出現(xiàn)硅元素和鉬元素，說明摩擦環(huán)已磨穿涂層并開始磨損基體，此時(shí)涂層發(fā)生了磨粒磨損、氧化磨損和黏著磨損。由圖6可以看出：150 ℃下制備得到的CrN涂層經(jīng)過30 min試驗(yàn)后，其磨損表面出現(xiàn)犁溝；位置3和位置4處的鐵元素和碳元素含量較多，同時(shí)出現(xiàn)了少量錳元素，說明涂層發(fā)生了磨粒磨損和黏著磨損，但未出現(xiàn)氧元素，說明涂層未發(fā)生氧化磨損。由圖7可以看出，180 ℃下制備涂層的磨損表面存在犁溝，位置5和位置6處的氧元素和鐵元素含量遠(yuǎn)超過基體中各元素含量，位置5處未出現(xiàn)鉻元素，且位置6處出現(xiàn)錳元素，說明涂層已被磨穿，此時(shí)發(fā)生了磨粒磨損、氧化磨損和黏著磨損。

圖5 120 ℃下制備得到CrN涂層在試驗(yàn)30 min后的磨損形貌和不同位置的EDS譜Fig.5 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 120 ℃ after test for 30 min: (b) position 1 and (c) position 2

圖6 150 ℃下制備得到CrN涂層在試驗(yàn)30 min后的磨損形貌和不同位置的EDS譜Fig.6 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 150 ℃ after test for 30 min: (b) position 3 and (c) position 4

圖7 180 ℃下制備得到CrN涂層在試驗(yàn)30 min后的磨損形貌和不同位置的EDS譜Fig.7 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 180 ℃ after test for 30 min: (b) position 5 and (c) position 6

3 結(jié) 論

(1) 采用電弧離子鍍技術(shù)在20CrMnTi滲碳鋼表面制備得到的CrN涂層由CrN相和Cr2N相組成；隨沉積溫度的升高，涂層厚度增加，表面粗糙度先減小后增大，150 ℃下沉積后的表面粗糙度最小，為0.101 2 μm，涂層表面顆粒、針孔、凹坑缺陷少，表面質(zhì)量最好。

(2) CrN涂層可有效提高20CrMnTi滲碳鋼表面硬度，隨沉積溫度的升高，硬度先升高后降低，殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且殘余壓應(yīng)力隨沉積溫度的變化趨勢與硬度一致，150 ℃下制備得到涂層的硬度和殘余壓應(yīng)力最高，分別為754.29 HV，262 MPa。

(3) 150 ℃下制備的涂層的平均摩擦因數(shù)最小，為0.2517，此時(shí)涂層的主要磨損機(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損，而120 ℃和180 ℃下制備得到的CrN涂層還發(fā)生了氧化磨損。