脈沖N離子束轟擊對(duì)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(shè)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(duì)TiAIN膜層耐磨性的影響。研究結(jié)果表明：N離子束轟擊能量為okeV時(shí)，磨損初期TiAIN膜層的摩擦系數(shù)為0.3：磨損時(shí)間為70min時(shí)，膜層的摩擦系數(shù)突然增加，膜層全部脫落，部分基材已經(jīng)被磨損，摩擦系數(shù)為0.6。轟擊能量為7.5keV時(shí)，磨損初期TiAlN膜層的摩擦系數(shù)為0.13；磨損時(shí)間為150rain時(shí)，膜層表面沒有出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，有部分很淺的磨裹，膜層的摩擦系數(shù)為O.25。

關(guān)鍵詞：電弧離子鍍TiAIN膜層 離子束 耐磨性

中圖分類號(hào)：TG174.444 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(biāo)，良好的耐磨性對(duì)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(yīng)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(shù)沉積的TiAlN膜層與其它沉積技術(shù)相比具有高的硬度、高耐磨性、良好的結(jié)合力等特點(diǎn)。雖然電弧離子鍍技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著“大顆粒污染的嚴(yán)重問題。該缺點(diǎn)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(shù)引入電弧離子鍍沉積技術(shù)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(shè)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(duì)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(chǔ)和技術(shù)保證。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1基材及預(yù)處理

靶材采用TiAl(原子比Ti：AI=1)熱壓粉末燒結(jié)復(fù)合靶。基材選用W18Cr4V高速鋼，線切割尺寸15mm×10mm×3mm的方塊。基材經(jīng)金相砂紙研磨并進(jìn)行機(jī)械拋光、化學(xué)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(shù)：N離子束轟擊能量為0keV～15keV~負(fù)偏壓為-20V。電弧電流為60A;N，壓強(qiáng)為0.3Pa}沉積時(shí)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(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試膜層的耐磨性。載荷為196N，轉(zhuǎn)速為120r/min，膜層做成標(biāo)準(zhǔn)試樣$40ram×10mm環(huán)形，與配副件45鋼組成止推摩擦副，采用千摩擦方式。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1N離子束轟擊對(duì)TiAIN膜層表面形貌的-影響

圖1的工藝參數(shù)為：負(fù)偏壓為20V，電弧電流為60A，N2壓強(qiáng)為0.3Pa，沉積時(shí)間為30min~N離子轟擊能量分別為0keV和7.5keV，磨損時(shí)間為70min和150min時(shí)膜層的表面形貌。

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

電弧離子鍍沉積的原理基于冷場(chǎng)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(xiàn)“大顆粒”。從陰極弧斑噴發(fā)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(duì)后續(xù)沉積的阻擋，形成陰影效應(yīng)，使膜層變得疏松，導(dǎo)致膜層和基材結(jié)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(shí)、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(diǎn)，而且N離子沉積的能量和動(dòng)量引起的級(jí)聯(lián)碰撞，增強(qiáng)了原子的遷移率和激活能力，膜層結(jié)構(gòu)連續(xù)，空洞減少，膜層更加致密。同時(shí)N離子的轟擊作用產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力以及在界面處產(chǎn)生的原子共混現(xiàn)象，提高了膜層和基材的結(jié)合力，所有這些因素都提高了膜層耐磨性。本工藝參數(shù)條件下，膜層耐磨性至少提高2倍以上。

3.2N離子束轟擊對(duì)TiAIN膜層摩擦系數(shù)的-影響

圖2的工藝參數(shù)為：負(fù)偏壓為20V，電弧電流為60A，N，壓強(qiáng)為0.3Pa；沉積時(shí)間為30min，N離子轟擊能量分別為0keY和7.5keV，膜層的摩擦系數(shù)和磨損時(shí)間關(guān)系圖。

從囪2(a)可以看出，磨損初期TiAlN膜層的摩擦系數(shù)為0.3，隨著時(shí)間的進(jìn)行，曲線比較平緩，當(dāng)摩擦?xí)r間為70min時(shí)，膜層的摩擦系數(shù)突然增加，而且曲線波動(dòng)很大。從圖2(b)中看出，磨損初期TiAIN膜層的摩擦系數(shù)為0.13；隨著時(shí)間的進(jìn)行，曲線比較平緩.波動(dòng)很小，直至摩擦到150min時(shí)，曲線仍沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，只是摩擦系數(shù)略有增加，約為0.25。

當(dāng)N離子束轟擊能量為0keV時(shí)，由于膜層的硬度低，膜層和基材之間結(jié)合力較差，致使膜層過早脫落。當(dāng)摩擦?xí)r間為70min時(shí)，膜層已經(jīng)全部脫落，直接露出基材，因此在此時(shí)摩擦曲線出現(xiàn)很大的波動(dòng)。在隨后的摩擦過程中，基材和摩擦副45號(hào)鋼進(jìn)行摩擦，摩擦曲線所顯示的是基材的摩擦系數(shù)。

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

4結(jié)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(jié)合力，進(jìn)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(shù)，使膜層的摩擦系數(shù)由0.3降低到0.13。

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