脈沖N離子束轟擊對TiAIN膜層耐磨性的影響

摘要：本文采用俄羅斯UYN 0.5D2I脈沖離子束輔助電弧離子鍍沉積設備，在高速鋼W18Cr4V基材上沉積TiAlN腱層。研究了膜層沉積過程中，脈沖N離子束轟擊對TiAIN膜層耐磨性的影響。研究結果表明：N離子束轟擊能量為okeV時，磨損初期TiAIN膜層的摩擦系數為0.3：磨損時間為70min時，膜層的摩擦系數突然增加，膜層全部脫落，部分基材已經被磨損，摩擦系數為0.6。轟擊能量為7.5keV時，磨損初期TiAlN膜層的摩擦系數為0.13；磨損時間為150rain時，膜層表面沒有出現脫落現象，有部分很淺的磨裹，膜層的摩擦系數為O.25。

關鍵詞：電弧離子鍍TiAIN膜層 離子束 耐磨性

中圖分類號：TG174.444 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)02(b)-0006-02

1前言

耐磨性是衡量膜層刀具性能的重要指標，良好的耐磨性對于提高膜層刀具的使用壽命具有重要意義。目前，最常見的膜層材料是TiAIN。沉積TiAIN膜層工藝有反應磁控濺射、射頻磁控濺射、電弧離子鍍、電子束離子鍍、離子束輔助沉積。電弧離子鍍技術沉積的TiAlN膜層與其它沉積技術相比具有高的硬度、高耐磨性、良好的結合力等特點。雖然電弧離子鍍技術具有顯著的優點，但也存在著“大顆粒污染的嚴重問題。該缺點在一定程度上降低了TiAlN膜層的使用性能。尤其是膜層的耐磨損性能。

為了抑制或消除膜層中的“大顆粒”，增加膜層的耐磨性，提高膜層的使用性能，本文將脈沖離子束技術引入電弧離子鍍沉積技術中，通過脈沖離子束的轟擊作用，提高膜層的耐磨性。

本文采用俄羅斯UVN 0.5D2I脈沖離子束輔助電弧離子鍍沉積設備，在高速鋼W18Cr4V基材上沉積TtAlN膜層。研究了膜層沉積過程中，脈沖N離子束轟擊對TiAlN膜層耐磨性的影響。為消除或抑制“大顆粒”，提高TiA1N膜層耐磨性提供理論基礎和技術保證。

2實驗方法

2.1基材及預處理

靶材采用TiAl(原子比Ti：AI=1)熱壓粉末燒結復合靶。基材選用W18Cr4V高速鋼，線切割尺寸15mm×10mm×3mm的方塊。基材經金相砂紙研磨并進行機械拋光、化學試劑(丙酮、酒精)清洗、超聲波清洗、烘干后放入真空室。

2.2膜層的制備

工藝過程：抽真空至極限真空度10-3pa，通人氣體N，，真空室的工作壓力為0.3PaN離子束輔助膜層沉積，降溫出爐。

工藝參數：N離子束轟擊能量為0keV～15keV~負偏壓為-20V。電弧電流為60A;N，壓強為0.3Pa}沉積時間為30min。

2.3膜層分析

日立S-3400N型掃描電鏡觀察基材表面形貌jMMW-1A型萬能摩擦磨損實驗機測試膜層的耐磨性。載荷為196N，轉速為120r/min，膜層做成標準試樣$40ram×10mm環形，與配副件45鋼組成止推摩擦副，采用千摩擦方式。

3實驗結果及分析

3.1N離子束轟擊對TiAIN膜層表面形貌的-影響

圖1的工藝參數為：負偏壓為20V，電弧電流為60A，N2壓強為0.3Pa，沉積時間為30min~N離子轟擊能量分別為0keV和7.5keV，磨損時間為70min和150min時膜層的表面形貌。

從圖1(a)中看出，當N離子束轟擊能量為0keV時，磨損時間70rain時，膜層壘部脫落，部分基材已經被磨損，從圖1(b)中看出，當N離子束轟擊能量為7.5keV，磨損時間150min時，膜層表面沒有出現脫落現象，有部分很淺的磨痕。

電弧離子鍍沉積的原理基于冷場致弧光放電理論，其原理決定了在沉積過程中膜層表面不可避免的出現“大顆粒”。從陰極弧斑噴發出的TiAl液滴在飛行的過程中冷卻，自由地沉積在膜層表面。這些“大顆粒”沉積能量低，在膜層表面遷移率差，加之對后續沉積的阻擋，形成陰影效應，使膜層變得疏松，導致膜層和基材結合力降低。因此在摩擦過程中，膜層過早的脫落，甚至部分基材已被磨損。

N離子轟擊能量為7.5keV時、N離子不但轟擊掉了膜層表面的“大顆粒”，消除了膜層中的硬度軟點，而且N離子沉積的能量和動量引起的級聯碰撞，增強了原子的遷移率和激活能力，膜層結構連續，空洞減少，膜層更加致密。同時N離子的轟擊作用產生的表面壓應力以及在界面處產生的原子共混現象，提高了膜層和基材的結合力，所有這些因素都提高了膜層耐磨性。本工藝參數條件下，膜層耐磨性至少提高2倍以上。

3.2N離子束轟擊對TiAIN膜層摩擦系數的-影響

圖2的工藝參數為：負偏壓為20V，電弧電流為60A，N，壓強為0.3Pa；沉積時間為30min，N離子轟擊能量分別為0keY和7.5keV，膜層的摩擦系數和磨損時間關系圖。

從囪2(a)可以看出，磨損初期TiAlN膜層的摩擦系數為0.3，隨著時間的進行，曲線比較平緩，當摩擦時間為70min時，膜層的摩擦系數突然增加，而且曲線波動很大。從圖2(b)中看出，磨損初期TiAIN膜層的摩擦系數為0.13；隨著時間的進行，曲線比較平緩.波動很小，直至摩擦到150min時，曲線仍沒有出現大的波動，只是摩擦系數略有增加，約為0.25。

當N離子束轟擊能量為0keV時，由于膜層的硬度低，膜層和基材之間結合力較差，致使膜層過早脫落。當摩擦時間為70min時，膜層已經全部脫落，直接露出基材，因此在此時摩擦曲線出現很大的波動。在隨后的摩擦過程中，基材和摩擦副45號鋼進行摩擦，摩擦曲線所顯示的是基材的摩擦系數。

N離子轟擊能量為7.5keY時，膜層的硬度、膜層和基材之間的結合力得到了很大的提高，增強了膜層的耐磨性，所以在摩擦過程中，膜層出現輕微的磨損，膜層的摩擦系數變化比較小。

4結論

(1)脈沖N離子束轟擊，消除了膜層中的“大顆粒”，提高了膜層的耐磨性。

(2)脈沖N離子束轟擊，提高了膜層的硬度和結合力，進而提高了膜層的耐磨性，膜層耐磨性至少提高2倍以上。

(3)脈沖N離子束轟擊，降低了膜層的摩擦系數，使膜層的摩擦系數由0.3降低到0.13。

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