基體位置對封閉磁控濺射制備CrN鍍層微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響

冶 艷，鮑明東

(1. 武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000；2. 寧波工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 前 言

表面鍍層技術(shù)能提高基體材料的使用壽命，減少材料損耗，因此被廣泛應(yīng)用于航空、航天、熱核、能源動力工程等高技術(shù)領(lǐng)域[1-4]。鍍層的性能取決于自身的組織結(jié)構(gòu)，而鍍層的組織結(jié)構(gòu)又取決于鍍層沉積過程中的工藝參數(shù)。采用磁控濺射法制備CrN鍍層具有沉積速率快、膜基結(jié)合強(qiáng)度高、組織結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)防護(hù)鍍層材料[5]。封閉非平衡磁控濺射技術(shù)在基體的附近保持比較高的等離子體密度，將較大的離子流傳輸?shù)交w，在等同的低溫下沉積出鍍層，因此采用該技術(shù)可制備出具有結(jié)合強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)致密、粗糙度低等優(yōu)點(diǎn)的CrN鍍層，CrN鍍層常用于機(jī)械件的表面保護(hù)[6]。

CrN鍍層的性能受很多制備因素的影響，如基體偏壓、偏流、氮?dú)饬髁俊⑥Z擊能量與基體溫度等[6-9]。制備工藝參數(shù)對CrN鍍層性能的影響方面有諸多文獻(xiàn)報(bào)道，但大多都是關(guān)于制備方法及偏壓、氮?dú)饬髁糠矫娴?。磁控濺射工藝中，靶材是固定的，基體位置可以變化，而很少有文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于磁控濺射中基體在磁場與電場中的位置(即靶基距)對CrN鍍層性能的影響。濺射沉積中，基體與靶材之間的距離也會對鍍層的性能有極大的影響，主要體現(xiàn)在對鍍層的厚度、相成分等的影響[10]。因此，靶基距在磁控濺射沉積中也是一個重要的工藝參考量。

本工作主要研究在封閉非平衡磁控濺射鍍膜系統(tǒng)中處于不同位置的基體制備的CrN鍍層的性能的差異，具體闡述基體位置對于CrN鍍層性能的影響，從而選擇較優(yōu)工藝，制備性能優(yōu)異的CrN鍍層。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

基體是φ30 mm×5 mm的M42高速鋼，分別用200，600，1 200，1 500目的SiC砂紙打磨試樣并用2.5 μm金剛石拋光劑拋光至其表面粗糙度Ra為0.2 μm，再浸入丙醇中超聲清洗35 min，以去除試樣表面的雜物及磨屑，減小試樣表面的粗糙度，提高與薄膜的結(jié)合強(qiáng)度。吹干基體表面，放入90 ℃的烘箱內(nèi)烘干待用。磁控濺射時設(shè)備2個Cr靶，放在丙酮中超聲清洗，再在烘箱中烘干，安裝在靶座上，進(jìn)行30 min的濺射，使其達(dá)到去除靶表面的雜物的目的，為了在制備薄膜時無雜質(zhì)元素，工作氣體分別用99.99%的Ar、99.99%的N2。

圖1為封閉非平衡磁控濺射系統(tǒng)真空沉積腔體中基體試樣的裝置位置圖及基體試樣在一、三軸上運(yùn)動的俯視圖。試樣在真空系統(tǒng)的一軸和三軸的位置上。圖1b中R1、R2、R3為一、二、三軸的半徑比例，箭頭為軸的轉(zhuǎn)動方向。本實(shí)驗(yàn)中把試樣M42鋼片與硅片裝置在一軸及三軸的位置，一、三軸處在不同的磁場與電場中，此時它們受到的轟擊能量不同，設(shè)定樣品臺轉(zhuǎn)速為4 r/min(一軸轉(zhuǎn)速)，偏流為4 A、偏壓為50 V、OEM(動態(tài)控制氮?dú)饬髁?為70%，鍍層實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，比較同一系統(tǒng)和同一工藝條件下，對一軸與三軸上制備的CrN鍍層的硬度、結(jié)合力、橫斷面、表面的組織結(jié)構(gòu)及相成分進(jìn)行檢測及對比分析。

表1為基體在一、三軸上的運(yùn)動參數(shù)表，基體在一軸與三軸上的運(yùn)動軌跡直徑、轉(zhuǎn)速及每分鐘運(yùn)動的距離都不同，因此基體在不同軸上所制備出的鍍層的形貌及性能不同。

表1 基體在一、三軸上的運(yùn)動參數(shù)

采用S - 4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)表征鍍層的表面形貌和斷層截面形貌。用洛氏硬度計(jì)壓坑法測試膜基結(jié)合強(qiáng)度：壓入實(shí)驗(yàn)以Rockwell～C金剛石壓頭，壓入載荷為1 500 N，根據(jù)顯微鏡下觀察到的壓坑形貌，將結(jié)合強(qiáng)度分為HF1～HF6不同的等級。CrN鍍層成分分析采用D8 Advance型多晶X射線衍射儀進(jìn)行。利用MH - 5型顯微硬度計(jì)檢測CrN鍍層的努氏硬度，其在CrN薄膜上施加載荷為 0.25 N，在薄膜表面均勻取5點(diǎn)，測取努氏硬度(HK)，再取平均硬度值。摩擦磨損測定采用HT - 001 - 1磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副為WC - Co球，分別對一、三軸制備的CrN鍍層進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CrN鍍層組織結(jié)構(gòu)及生長形貌

在偏流為4 A，偏壓為50 V，OEM為70%的工藝參數(shù)下，對CrN鍍層的截面和表面進(jìn)行SEM掃描，由圖2可觀察到鍍層的組織結(jié)構(gòu)和生長形貌。由圖2a可以看出CrN鍍層呈柱狀生長，生長紋理清晰，但柱狀晶相對粗大且疏松。由圖2b可以看出，鍍層表面顆粒粒徑較小，堆積比較疏松且孔隙較多。由圖2c、2d可以看出三軸上制備的CrN鍍層的橫斷面的柱狀晶結(jié)構(gòu)致密且孔隙少，呈粘結(jié)狀態(tài)，從圖2d可以看出，該鍍層表面的晶粒粒徑較大，晶粒間的空隙小且排列緊密。由于一軸基體始終處在電場和磁場比較密集且壓力較高的環(huán)境中，由Cr靶飛向基體的粒子與Ar氣體分子碰撞的概率增大，以致這些粒子發(fā)生散射，粒子能量降低，氣體分子碰撞基體的頻率增大，造成CrN鍍層含氣量增大，結(jié)構(gòu)疏松，因而基體表面鍍層晶體堆積比較疏松且孔隙較多。由此可知，由于在不同的位置有不同的工作壓力，所制備的CrN鍍層結(jié)構(gòu)有差異。進(jìn)一步觀察分析CrN鍍層的截面SEM形貌(圖2a、2c)可以看出，一軸制備的CrN鍍層的厚度約為3.2 μm；三軸制備的CrN鍍層厚度約為2.2 μm，鍍層的厚度是由沉積速率決定的，分析得出2種鍍層的厚度不同有如下原因：一方面，由于一軸與三軸轉(zhuǎn)速不同，基體處在不同的Cr原子的濺射區(qū)域內(nèi)，沉積腔體內(nèi)Cr原子在基體上的沉積量不同而使制備的CrN鍍層的厚度不同；另一方面，三軸上制備的CrN鍍層厚度較小，說明CrN鍍層的沉積速率下降，CrN鍍層的沉積過程中存在反測射現(xiàn)象，只留下了與基體表面結(jié)合力強(qiáng)的粒子，這也能說明三軸制備的CrN鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度好。

2.2 CrN鍍層的結(jié)合力測試

圖3是CrN鍍層沉積在高速鋼M42上，在負(fù)偏壓為50 V，OEM為50%的工藝條件下的洛氏硬度壓坑形貌。從圖3中三軸上制備的CrN鍍層經(jīng)洛氏壓坑后的高倍顯微形貌可觀察到CrN鍍層試樣中心與邊緣部分的狀況，壓坑邊緣無裂紋、剝落，參考膜基結(jié)合強(qiáng)度壓入法評價標(biāo)準(zhǔn)[11]判定其膜基結(jié)合強(qiáng)度等級為HF1級；而一軸上的CrN鍍層試樣邊緣部分的結(jié)合力比較好，有少量剝落，中心部分的CrN鍍層剝落較多，且有徑向裂紋，判定其膜基結(jié)合強(qiáng)度等級為HF4級。通過比較發(fā)現(xiàn)在三軸上制備的CrN鍍層與M42基體結(jié)合強(qiáng)度好，這驗(yàn)證了在該條件下制備CrN鍍層過程中反濺射現(xiàn)象的存在。

2.3 CrN鍍層的努式硬度

CrN鍍層的努式硬度測試結(jié)果如圖4所示,可以看出一軸制備的CrN鍍層的努氏硬度在650～750 HK0.25 N之間，三軸制備的CrN鍍層的努氏硬度在1 450～1 550 HK0.25 N之間，三軸制備的CrN鍍層硬度明顯高于一軸，這說明三軸基體位置處在濺射粒子對鍍層的轟擊能力比較強(qiáng)的區(qū)域，增強(qiáng)了鍍層的致密性。

2.4 CrN鍍層相成分分析

圖5是CrN鍍層的X射線衍射物相分析圖，可以得出一三軸制備的CrN鍍層的相組成是一致的，2種鍍層均由 CrN和Cr2N相組成。CrN相在37.5°、44.55°、65.3° 3個位置出現(xiàn)衍射峰，其3種擇優(yōu)取向分別為(111)，(200)及少量的(220)，CrN相在(111)晶面方向上衍射強(qiáng)度較強(qiáng)。CrN鍍層主要在CrN(111)晶面方向生長，說明鍍層的結(jié)晶性好，均為單相面心立方結(jié)構(gòu)體，但存在少量的Cr2N相在81.5°出現(xiàn)衍射峰，且Cr2N的擇優(yōu)取向?yàn)?220)。

分析發(fā)現(xiàn)，三軸制備的CrN鍍層的CrN相在(111)方向上衍射強(qiáng)度強(qiáng)于一軸，說明在三軸上更易生成CrN相，而一軸制備的CrN鍍層的生成雜質(zhì)相Cr2N相的衍射峰明顯強(qiáng)于三軸。Cr2N相會影響CrN鍍層的硬度，Cr2N相存在越多，CrN鍍層的硬度越低，這也可以說明一軸制備的CrN鍍層的硬度較低，與圖4測得一軸上制備的CrN鍍層的硬度低于三軸相符合。

2.5 一、三軸位置制備的CrN鍍層的摩擦學(xué)性能分析

2.5.1 摩擦系數(shù)分析

圖6為在偏流4 A、偏壓50 V、OEM為70%的條件下一、三軸制備的CrN鍍層與WC - Co球之間的摩擦系數(shù)曲線。三軸制備的CrN鍍層的摩擦系數(shù)明顯小于一軸，摩擦系數(shù)低于0.7?？梢钥闯?，一軸制備的CrN鍍層與WC - Co球摩之間的擦系數(shù)很高，摩擦系數(shù)波動幅度比較大，而且摩擦系數(shù)在400 s之后有明顯的起伏，且不斷增大，摩擦系數(shù)大約在0.725～0.975之間；而WC - Co球與三軸制備的CrN鍍層對磨時，摩擦系數(shù)比較平穩(wěn)，其值大約在0.525～0.700之間。根據(jù)摩擦磨損機(jī)理分析，可能是三軸制備的CrN鍍層表面致密、粗糙度小，因此對摩擦系數(shù)的影響較小；另一方面，三軸制備的CrN鍍層的高硬度改善了摩擦狀況，也減小了摩擦系數(shù)。

為了探究一、三軸上制備的CrN鍍層與WC - Co球間的摩擦系數(shù)的差別，分別對WC - Co球?qū)δrN鍍層1 800 s后的鍍層進(jìn)行SEM掃描，圖7為一、三軸制備的CrN鍍層與WC - Co球磨損軌道邊緣的SEM形貌。由圖7看出，不同基體位置上制備的CrN鍍層的磨損軌道磨痕形貌都比較明顯，磨痕呈明顯的犁溝狀[12-14]，在磨損軌道邊緣均有裂紋出現(xiàn)，而一軸制備的CrN鍍層的裂紋較長且犁溝較深，軌道中的磨損面積較大。三軸制備的鍍層也存在裂紋和微凸，但與一軸的鍍層相比較而言，其磨損狀態(tài)較輕微。

CrN鍍層對磨WC - Co球時，摩擦起初階段主要是鍍層表面的微凸晶體與WC - Co球相接觸，它們之間的接觸面小，摩擦阻力小，根據(jù)摩擦系數(shù)的定義，恒定正壓力下摩擦副的摩擦系數(shù)較小。一方面，在不斷的摩擦過程中，一、三軸制備的CrN鍍層微凸體與WC - Co球不斷接觸，重復(fù)的摩擦磨損使得WC - Co球與鍍層的接觸面積不斷增大，以至于鍍層邊緣受到不同的摩擦力的磨損，逐漸使得磨損軌道中心的微凸體磨損直至完全磨平，最終邊緣的微凸體產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致剝落。另一方面，由于鍍層與摩擦副間的接觸面積逐漸增大，摩擦阻力也逐漸增大，導(dǎo)致摩擦起初階段摩擦系數(shù)不斷升高；隨著不斷的磨合，鍍層表面的微凸體被WC - Co球逐漸磨平，與摩擦副間的接觸面積逐漸增大，磨損的疲勞狀態(tài)不斷重復(fù)，摩擦系數(shù)一直增大(見圖6中三軸在1 300 s之后)或存在波動(見圖6中一軸在1 300 s后)，及至1 800 s時，摩擦系數(shù)仍未達(dá)到穩(wěn)定階段。一軸制備的CrN鍍層由于CrN相晶體粒徑較小，表面的微凸體排列較多，使得其摩擦系數(shù)明顯高于三軸制備的鍍層。另外，由于一軸制備的CrN鍍層的晶體結(jié)構(gòu)比較疏松，在摩擦過程中，摩擦副對鍍層表面的磨損較嚴(yán)重，在圖7中出現(xiàn)大量的磨損損傷區(qū)域，甚至有剝落狀況，導(dǎo)致摩擦不能達(dá)到動態(tài)平衡，因此摩擦系數(shù)波動較大(見圖6中一軸摩擦系數(shù)曲線)。同時由于一軸制備的CrN鍍層的硬度比較低，鍍層與基體的結(jié)合力較差，導(dǎo)致摩擦狀態(tài)較差，摩擦系數(shù)較高；三軸制備的CrN鍍層的晶體結(jié)構(gòu)致密，摩擦過程中出現(xiàn)的裂紋較少，又由于硬度較高，結(jié)合力較好，在摩擦磨損過程中不易剝落，使得鍍層的抗摩擦磨損性能較高。

2.5.2 摩擦磨損軌道、磨屑形貌的顯微分析

圖8為CrN鍍層與WC - Co球?qū)δズ笊⒙涞哪バ夹蚊病?/p>

從圖8可以看出，WC - Co球與一軸制備的鍍層磨損后的磨屑顆粒較小而且多。經(jīng)分析，這是因?yàn)橐惠S制備的CrN鍍層的微凸體的粒徑小，而微凸體的大小決定了磨屑的大小，較小的微凸體粒徑使得摩擦副在摩擦切削時對微凸起的切削深度降低，因而形成了較為細(xì)小的磨屑顆粒。另外，由于一軸制備的CrN鍍層的硬度較小，結(jié)合力較差，也導(dǎo)致其在摩擦磨損后磨屑顆粒較多。

3 結(jié) 論

(1)一軸制備的CrN鍍層表面的顆粒粒徑較小，堆積疏松且孔隙較多，厚度約為3.2 μm。三軸制備的CrN鍍層表面的晶粒粒徑較大、空隙小且晶粒排列緊密，厚度約為2.2 μm。

(2)三軸制備的CrN鍍層與M42基體結(jié)合強(qiáng)度比在一軸好；且三軸制備的CrN鍍層的硬度高于一軸。

(3) 一、三軸制備的CrN鍍層均由CrN和Cr2N相組成，但在三軸上更易生成CrN相，三軸制備的CrN鍍層生成的雜質(zhì)相Cr2N相少于一軸。

(4)CrN鍍層與WC - Co球干摩擦1 800 s，三軸制備的CrN鍍層的摩擦系數(shù)小于一軸。