多弧離子鍍膜技術的應用研究

牛寶林

（蕪湖職業(yè)技術學院 機械工程學院，安徽 蕪湖241001）

多弧離子鍍膜技術的應用研究

牛寶林

（蕪湖職業(yè)技術學院 機械工程學院，安徽 蕪湖241001）

PVD技術中多弧離子鍍膜是用于涂鍍模具、刀具等硬質耐磨涂層的主要方法，而納米復合鍍膜也是模具表面強化的新的研究方向。文章介紹了用多弧離子鍍膜技術在冷沖模具表面涂鍍納米復合Al-Ti（CN）膜，提高其使用壽命的應用研究成果。

物理氣相沉積；多弧離子涂鍍；納米復合膜；冷沖模

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產的重要裝備。社會經濟的高速發(fā)展對模具的質量、特別是對模具的使用壽命提出了更高的要求。降低成本、提高壽命成為模具工業(yè)亟待解決的問題。目前一些新技術，如表面涂層技術PVD、CVD以及TD覆層處理技術、激光表面強化技術和電子束強化技術等都發(fā)展很快，而且提高模具壽命的效果也比傳統(tǒng)的表面處理方法要好。

PVD技術主要有真空鍍膜、磁控濺射鍍膜、多弧離子鍍膜等方法。目前不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可沉積化合物、陶瓷、半導體、聚合物膜等。工業(yè)發(fā)達國家比如美國德國日本等使用PVD涂層模具的比例已超過90%[1]。而和國外相比，我國對精密模具 （包括冷沖模）進行鍍膜處理的只有40%到60%。因此，研究適合我國精密冷沖模具PVD涂層技術是有意義的。

我們的研究是利用多弧離子鍍 (Arc ion plating，AIP)技術在冷沖模沖頭上涂鍍納米復合Al-Ti(CN)膜，并對鍍膜工藝和生產實驗情況進行總結。目前這一項技術已經成功的運用到一些模具企業(yè)，取得了一定的社會經濟效益。

1 多弧離子鍍工作原理及納米復合Al-TiCN膜的微觀結構

在PVD技術中，和真空鍍膜、磁控濺射鍍膜方法相比較，在模具涂層技術方面多弧離子涂鍍應用的更加廣泛一些。多弧離子涂鍍主要是借助惰性氣體如Ne、Ar等的輝光放電作用，使得靶材離化，在帶負電荷的工件表面形成薄膜。

1.1 多弧離子鍍膜工作原理

設備主要由電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。極限真空度為1×10-4Pa。控制系統(tǒng)是由PLC程序控制的工控機。電源主要是控制電源和偏壓電源。每個弧源靶由低電壓高電流的電弧源提供能量，電壓和電流都可調節(jié)。實驗用離子鍍膜設備的工作原理見圖1。

圖1 離子鍍膜機工作原理

我們實驗使用的是工業(yè)AS700DTXBE型自動控制離子鍍膜機，這種鍍膜機有12只陰極電弧離化源，能夠保證同時安裝3列純金屬或者合金的靶材。

多弧離子鍍是用多個陰極電弧使靶材蒸發(fā)的一種離子鍍膜技術。由塊狀或者粉末狀的材料做成的陰極接電源負極。鍍膜室接地為陽極，電源電壓的工作區(qū)間是0-220 V，電源電流的工作區(qū)間是20-100 A。工件（模具）與腔體之間是負偏壓，其目的是提高入射粒子的速度，增加膜和基體（模具）表面的結合的牢固度。其取值為50-1000 V范圍內。在10-3Pa真空度的真空條件下將真空電弧點燃，靶材表面會出現(xiàn)一些陰極弧斑，這些陰極弧斑是一些大小不一、形狀不同、不連續(xù)的明亮的微小斑點。這些弧斑在靶材表面迅速游動，在一部分弧斑消失的同時另一部分弧斑又在其它部位迅速形成，弧斑的持續(xù)消失和持續(xù)形成維持了電弧的燃燒。引弧時，在接通電源的同時使引弧電極與靶材瞬間接觸又瞬間離開，在離開的瞬間，由于引弧電極和靶材間的導電面積迅速縮小，電阻增大，局部微小區(qū)域的溫度迅速升高，使靶材表面的局部微小區(qū)域溶化，產生等離子體。低壓大電流的電源維持弧光放電的持續(xù)進行[2]。

陰極弧斑是微小面積上的高電流密度并且高速變化的電弧現(xiàn)象。弧斑的尺寸非常微小，據(jù)相關資料測定為1～100μm。電流密度可達105-107A/cm2。弧斑存在時間非常短，其連續(xù)性爆發(fā)性地生成蒸發(fā)了靶材離子和電子，由于電場的作用在陰極表面附近，金屬離子形成了空間電荷，又形成了新的弧斑產生條件，眾多的弧斑持續(xù)產生，保持了電弧總電流的穩(wěn)定。陰極弧斑的運動方向以及運動速度受磁場控制。適當?shù)拇艌鰪姸瓤梢允沟冒胁谋砻婵涛g均勻。

1.2 納米復合Al-Ti（CN）膜的微觀結構及Al對膜的性能影響

鍍膜是由兩種或者兩種以上成分或結構不同的、垂直于薄膜一維方向交替生長而形成的多層結構。對于兩種不同結構或成分的多層薄膜，每相鄰兩層形成一個單元，其厚度稱為調制周期，通常將調制周期小于100nm的薄膜叫做納米復合薄膜。我們進行鍍膜實驗的調制周期為8nm。

在TiN中加入一定量的碳得到Ti(CN)膜，具有較高硬度、良好的膜基結合力，相對于TiN薄膜而言，表現(xiàn)出更低的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性能[3]，但高溫性能不是很好。此前也有研究表明，加入Al元素可以顯著提高薄膜的抗氧化性能和熱穩(wěn)定性、熱疲勞性能[4]。我們發(fā)現(xiàn)實際生產中，沖頭由于連續(xù)工作，自身會產生一定的熱量，影響薄膜的熱穩(wěn)定性和熱疲勞性能，所以我們添加Al元素來提高沖頭的熱穩(wěn)定性和熱疲勞壽命。

2 多弧離子鍍膜在冷沖模具上的應用

冷沖壓生產中模具出現(xiàn)較多的是磨料磨損，粘著磨損、表面拉傷、劃痕等各種形式的表面損傷，所以對模具表面涂層的要求不但要有較高的硬度和極高的耐磨損性，而且還要和模具表面有很好的結合牢固度，同時要有良好的潤滑性和較低的摩擦系數(shù)。目前在冷沖模上應用比較多的鍍膜有TiN，CrN，TiCN，TiAlN等等。我們在實驗的冷沖模沖頭上主要是涂鍍納米復合Al-Ti（CN）膜。

2.1 鍍膜工藝參數(shù)

鍍膜的工藝參數(shù)主要有基體（工件）沉積溫度、反應氣體壓強與流量、靶源電流、真空度、鍍膜時間等。我們對冷沖模的多弧離子鍍膜進行了一系列的工藝對比試驗，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，最終形成了比較穩(wěn)定的鍍膜工藝。主要的鍍膜工藝參數(shù)是：沉積溫度：450℃ 反應氣體壓強:0.2Pa,流量:80sccm；電流密度:105-107A/cm2； 電壓：220V真空度：4×10-3Pa鍍膜時間：2h。輔助氣體為氬氣，氮氣和乙炔，純度為99.999%。

2.2 膜層性能測試

膜層的性能要求有很多，比如，膜的硬度、膜和基體的結合牢固度、摩擦性能、內應力、強度和韌性、抗氧化性和熱穩(wěn)定性等。

2.2.1 膜層硬度檢測 硬度是模具鍍膜的最重要的性能指標之一，只有在較高硬度的條件下，鍍膜才能有效減小磨損，起到強化襯底表面的作用，從而大幅度提高模具的使用壽命。實驗的硬度數(shù)據(jù)主要通過納米壓痕儀測試納米硬度，納米壓痕儀可以解決顯微硬度計對薄膜硬度測量誤差問題。納米復合Al-Ti（CN）膜是超硬鍍膜。從表1可以看出，納米復合Al-Ti（CN）膜和傳統(tǒng)的TiN膜的硬度、熱穩(wěn)定性相比，都有明顯提高。

表1 各類膜的硬度及熱穩(wěn)定性比較

2.2.2 膜層結合牢固度測試 膜和模具表面的結合牢固度也是鍍膜的非常重要的指標。用洛氏(HRC)硬度測試的壓痕法分別對A1-Ti（CN）薄膜（試樣a）和TiN薄膜（試樣b）的結合強度進行定性測試。圖2為兩組樣品在洛氏硬度計150 Kg下加載，在50倍光學顯微鏡下觀察到的壓痕形貌圖。從圖中可以看出，兩組薄膜與壓痕邊緣相鄰的膜層均沒有出現(xiàn)嚴重的剝落和損壞，表現(xiàn)出了較好的膜基結合性能。試樣b薄膜的壓痕周圍只出現(xiàn)了些輕微裂紋，而試樣a與試樣b相比結合牢固度沒有明顯變化。測試的結果和結合強度質量標準進行比較得出的結論是兩者的結合性能都比較良好，也說明了Al元素和C元素的加入，并沒有影響膜和基體的結合牢固度。這也說明用多弧離子鍍涂鍍工藝由于其入射能量高、膜的致密度高、膜層有擴散等特點使得膜與模具表面的結合牢固度比較高。這與球坑實驗法結合金相顯微鏡觀察到的結果是一致的。

圖2 薄膜的洛氏壓痕形貌：(a)A1-Ti（CN）膜(b)TiN膜

2.2.3 膜層摩擦磨損實驗 圖3是600℃摩擦磨損試驗的SEM形貌圖。觀察室溫下的磨損形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)（a1）(A1-Ti（CN）膜)保持著良好的表面狀況，而(a2)（TiN膜）磨痕軌道上則出現(xiàn)了一些磨屑，這些磨屑勢必要增加摩擦系數(shù)。這個測試定性地說明了加入C元素尤其是Al元素以后膜層耐高溫摩擦性能的提高。

圖3 高溫（600℃）摩擦性能測試（a1：A1-Ti（CN）膜)(a2：TiN膜）

2.2.4 膜層厚度檢測 膜層厚度用球坑法結合金相顯微鏡經過計算得出，約為3μm。

2.3 實驗結果分析

實驗鍍膜的是冷沖模的沖頭，沖壓的零件是空調的機架零件（厚度4.0mm的熱軋酸洗板SPHC），見圖4。由于被沖壓零件厚度比較厚，因此沖頭在工作過程中承受著很大的沖擊力和劇烈的摩擦，所以通常這種沖頭僅僅經過淬火回火處理其使用壽命是不高的，這給鍍膜處理留下了比較大的發(fā)揮作用的空間。沖頭所用材料為SKD11，先經過淬火回火處理，然后用多弧離子涂鍍納米復合Al-Ti（CN）膜。在連續(xù)生產的條件下，經過淬火回火再進行鍍膜的沖頭和沒有鍍膜、只經過淬火回火處理的沖頭進行對比實驗。

實驗結果如表2所示。生產性實驗表明：實際工作時，這種冷沖模的沖頭主要的損壞形式還是摩擦造成的磨損，使其尺寸超差而導致其不能繼續(xù)使用。

表2 鍍Al-TiCN膜沖頭和無鍍膜沖頭壽命的比較

對比的生產性實驗的結果是：沒有涂層的沖頭大約在沖制70000件左右的時候，沖頭頭部表面已經拉傷，沖頭已經不能保證被沖壓零件的孔徑尺寸，沖孔毛刺超差0.25mm以上，孔徑偏小0.1mm，不能滿足零件尺寸要求。而涂鍍納米復合Al-Ti(CN)膜的沖頭在同樣條件下沖制到110000件時，沖頭表面仍無明顯拉傷，只有輕微擦痕，沖頭還可以繼續(xù)使用，沖孔毛刺在0.1mm控制范圍內。最后結果是涂鍍納米復合Al-Ti（CN）膜的沖頭沖制機架零件達到130000件，由于磨損，尺寸超差而不能使用。涂鍍納米復合Al-Ti（CN）膜的沖頭見圖5。

實驗結果表明，對于沖壓比較厚的零件（厚度大于1mm）的冷沖模的沖頭來說，鍍Al-Ti（CN）納米復合膜的沖頭比沒有鍍膜的沖頭平均壽命提高70-90%。具有明顯降低生產成本的效果。

圖4 機架零件

圖5 鍍膜沖頭

3 結論

用多弧離子鍍技術在冷沖壓沖頭表面涂鍍納米復合Al-Ti(CN）膜，由于其入射粒子能量高，膜層致密度高，強度和耐磨性好，形成了硬度、組織成分和結合力的有效匹配，取得了比較好的應用效果。同時由于在復合膜層中加入了Al和C，提高了刀具的硬度、耐磨性、高溫硬度、抗氧化性等，更加適應冷沖模具沖頭的工作條件。因此，冷沖模用多弧離子涂鍍納米復合Al-Ti（CN）膜這項技術具有廣闊的應用空間和良好的發(fā)展前景。

[1]Paul H.Mayrhofer,Christian Mitterer,Lars Hultman,Helmut Clemens.Microstructural design of hard coatings [J].Materials Science,2006,51:1032-1114。

[2]姜雪峰,劉清才,王海波.多弧離子鍍技術及其應用[J].重慶大學學報,2006,29(10):55-57。

[3]馬勝利,馬大衍,王昕,等.脈沖直流等離子體輔助化學氣相沉積和薄膜摩擦磨損特性研究[J].摩擦學學報,2003,23(3):179-182。

[4]I.S.Paldey,S.C.Deevi,Single layer and multilayer wear resistant films of(Ti,Al)N:a review[J].Materials Science and Enginee ring:A,2003,342:58-79。

[責任編輯：桂傳友]

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1674-1102(2014)06-0052-03

10.13420/j.cnki.jczu.2014.06.015

2014-10-31

牛寶林（1957-），男，甘肅蘭州人，蕪湖職業(yè)技術學院機械工程學院副教授，主要從事材料加工研究。