工藝參數(shù)對(duì)CrNx涂層膜基結(jié)合力的影響

宋慧瑾，鄢 強(qiáng)

(1.成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院，四川 成都 610106;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

工藝參數(shù)對(duì)CrNx涂層膜基結(jié)合力的影響

宋慧瑾1，鄢 強(qiáng)2

(1.成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院，四川 成都 610106;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

采用直流磁控濺射技術(shù)制備了CrNx涂層，研究了工藝參數(shù)對(duì)所制備的CrNx涂層膜基結(jié)合力的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:N2含量較低時(shí)，膜基結(jié)合力較好，涂層表面光滑.只加脈沖偏壓時(shí)，偏壓越大，熔滴越大，表面越粗糙.

膜基結(jié)合力;CrNx涂層;工藝參數(shù);磁控濺射

0 引言

氮化鉻(CrN)具有較高的硬度、良好的韌性與附著力、優(yōu)良的耐磨和抗氧化性，以及優(yōu)于Ti基氮化物的耐蝕性，氧化鉻的這些特性使得它作為耐磨及防護(hù)涂層廣泛使用在一些機(jī)械零部件、模具和切削工具的表面強(qiáng)化以及提高工具鋼及器件的使用壽命等方面［1-3］.目前，制備氧化鉻涂層的技術(shù)包括陰極弧蒸發(fā)、反應(yīng)磁控濺射、電弧離子鍍、離子束輔助沉積、非平衡磁控濺射、脈沖激光沉積、雙離子束濺射和電子束蒸發(fā)等［4-13］，且有數(shù)種制備技術(shù)已獲得了工業(yè)化應(yīng)用.本研究采用直流磁控濺射技術(shù)制備CrNx涂層，同時(shí)，通過具體的實(shí)驗(yàn)來研究工藝參數(shù)對(duì)CrNx涂層膜基結(jié)合力的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工藝參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)中，本研究采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備CrNx涂層.具體制作工藝流程為:直徑為200 mm的鉻(99.99%)金屬靶作濺射源，通入Ar和N2混合氣體進(jìn)行反應(yīng)沉積，本底真空為2×10-3Pa，靶基距為100 mm;在沉積CrNx涂層前，依序?qū)ISI 304不銹鋼基體進(jìn)行切割、研磨、拋光，然后在丙酮和乙醇中分別進(jìn)行超聲清洗;樣品吹干后裝入夾具并放入真空室內(nèi);濺射沉積開始前，對(duì)基體加高脈沖負(fù)偏壓進(jìn)行等離子輝光清洗，以去除基體表面的污染物，獲得清潔表面;在沉積CrNx化合物涂層前，先沉積3 min的金屬Cr過渡層，以提高成膜初期的膜基結(jié)合力;CrNx涂層的沉積時(shí)間為50 min，涂層沉積速率約1.7 nm/s，涂層厚度約5 μm.不同工藝體系下沉積CrNx涂層的工藝參數(shù)如表1所示.

表1 不同工藝體系下沉積CrNx涂層的工藝參數(shù)表

1.2 試樣測試

試樣涂層表面采用BX51M系統(tǒng)金相顯微鏡觀察形貌，用MFT-4000型劃痕測試儀測試涂層的結(jié)合強(qiáng)度.圓錐形金剛石壓頭尖端半徑為0.2 mm，加載速率100 N/min，最大載荷100 N，劃痕長度5 mm，取5次測試數(shù)據(jù)的平均值作為測試結(jié)果.

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對(duì)CrNx涂層膜基結(jié)合力的影響

1)不同Ar/N2比下制備的CrNx樣品涂層進(jìn)行劃痕測試后的臨界載荷如圖1所示.

從圖1可以看出，N2含量較低時(shí)涂層的膜基結(jié)合力相對(duì)較好，這可能與涂層中含有較多的Cr單元素及涂層硬度相對(duì)較高有關(guān)，但整體來說涂層與基體(304不銹鋼)的結(jié)合力較差.

圖1 不同Ar/N2比下制備的CrNx樣品涂層進(jìn)行劃痕測試后的臨界載荷

2)不同Ar/N2比下制備的CrNx樣品涂層劃痕形貌如圖2所示.

圖2 不同Ar/N2比下制備的CrNx樣品涂層的劃痕形貌(×1000倍)

從圖2中可以看出，劃痕為典型的溝犁式切削，所有涂層表面呈均勻鱗片狀剝落，表明膜基結(jié)合力較差.這是由于在較低溫度下將硬質(zhì)涂層沉積到較軟基體上時(shí)，涂層的內(nèi)應(yīng)力較大所致.

2.2 工藝參數(shù)對(duì)CrNx涂層表面形貌的影響

1)不同Ar/N2比下制備的CrNx樣品涂層表面形貌如圖3所示.

圖3 不同Ar/N2比下CrNx樣品涂層的表面形貌(×1000倍)

從圖3中可以看出，N2含量較低時(shí)涂層的表面更光滑.這是因?yàn)樵贏r含量較高時(shí)濺射出的Cr原子的遷移率高，沉積的涂層結(jié)晶度較好，而N2含量升高時(shí)有更多的Cr-N顆粒限制了Cr原子的遷移率.

2)只加脈沖偏壓下制備的CrNx樣品涂層表面形貌如圖4所示.

圖4 不同脈沖偏壓下CrNx樣品涂層的表面形貌(×1000倍)

從圖4中可以看出，涂層表面均可見大熔滴，且脈沖偏壓越高，熔滴越大，表面越粗糙.這是由于在脈沖偏壓模式下，有一定的時(shí)間段加在基體上的偏壓為零，此時(shí)Cr和N2只被部分離化，生成Cr-N化合物的反應(yīng)也不充分，大的Cr熔滴不能被全部離化，這些大熔滴沉積在基體表面上就形成了大顆粒.而脈沖偏壓增加過高，會(huì)導(dǎo)致基體溫度進(jìn)一步升高，反濺射效應(yīng)增大，在涂層表面形成大量位錯(cuò)、空位等缺陷.同時(shí)，溫度的升高促使沉積原子在自由面上二次形核，涂層的柱狀生長被中止，而被周圍發(fā)達(dá)的柱狀晶遮擋.加了直流偏壓后，等離子體在外電場作用下被加速，入射粒子能量增加，將基體表面上松散鍵合的大顆粒除掉.此外，偏壓越高，大顆粒就被除去得越多.

3 結(jié)論

采用直流磁控濺射技術(shù)制備的CrNx涂層，在N2含量較低時(shí)，膜基結(jié)合力較好，涂層表面光滑;只加脈沖偏壓時(shí)，偏壓越高，熔滴越大，表面越粗糙.

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Effect of Process Parameters on Film-substrate Adhesion of CrNxCoatings

SONG Huijin1，YAN Qiang2
(1.School of Industrial and Manufacturing，Chengdu University，Chengdu 610106，China;2.School of Mechatronics Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)

The CrNxcoatings are prepared by DC magnetron sputtering.This paper studies the effects of process parameters on the film-substrate adhesion of CrNxcoatings.The results show that better film-substrate adhesion and smooth surface of coatings can be obtained at lower N2content.If only pulse bias voltage is applied，the higher the bias voltage，the larger the droplet，and the more rough the surface.

film-substrate adhesion;CrNxcoatings;process parameters;DC magnetron sputtering

TB43

A

1004-5422(2014)01-0061-03

2014-01-20.

宋慧瑾(1978—)，女，博士，副教授，從事新能源材料與應(yīng)用技術(shù)研究.