沉積溫度對20CrMnTi滲碳鋼表面電弧離子鍍CrN涂層微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響

楊 虎，王仁鑫，郭子銘，林榮川

(集美大學海洋裝備與機械工程學院，廈門 361021)

0 引 言

煤炭是我國最主要的一種能源[1]，隨著能源消耗的日益增加，開采煤礦的任務也變得更加繁重。目前，國內(nèi)開采煤礦主要依賴大型機械設(shè)備，而設(shè)備長期在高速、重載、振動、沖擊、摩擦磨損等惡劣工況條件下作業(yè)[2]，導致設(shè)備零部件容易發(fā)生磨損、斷裂和腐蝕等失效。20CrMnTi滲碳鋼具有良好的低溫沖擊韌性，常用于制作高速沖擊重載礦山機械軸套，但在惡劣環(huán)境下長時間工作后也會出現(xiàn)腐蝕、斷裂等現(xiàn)象。為延長其使用壽命，可對其進行表面改性處理。CrN涂層作為典型的物理氣相沉積硬質(zhì)涂層，具有較高的硬度以及良好的耐磨和耐腐蝕性能、高溫抗氧化性能[3-6]，可作為工模具和切削刀具的表面耐磨防腐涂層。REN等[7]研究發(fā)現(xiàn)，采用直流磁控濺射技術(shù)在304不銹鋼表面沉積CrN涂層，能顯著提高基體的耐磨性能。王永光等[8]研究發(fā)現(xiàn)，采用電弧沉積技術(shù)在40Cr鋼齒輪表面制備CrN涂層后，可提高齒輪在低速重載下的耐磨性能。朱峰等[9]采用離子鍍技術(shù)在活塞環(huán)表面制備CrN涂層并與合金鑄鐵缸套配對，發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)的磨損量大幅度降低。物理氣相沉積技術(shù)具有沉積溫度低、沉積速率快、對環(huán)境無污染以及所制備涂層硬度高、耐磨耐腐蝕性好等優(yōu)點[10-12]；該技術(shù)主要分為真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍?nèi)悾渲须x子鍍是應用最廣泛的一種鍍膜工藝，而電弧離子鍍作為其中的一種方法，具有粒子繞射性好和膜基結(jié)合力大等優(yōu)點。目前，有關(guān)電弧離子鍍技術(shù)制備CrN涂層的工藝研究主要集中在基體負偏壓及占空比兩參數(shù)上[13]。在電弧離子鍍中，沉積溫度是一個重要的工藝參數(shù)，其值的確定主要取決于基體的回火溫度：如果沉積溫度遠高于回火溫度，會導致基體發(fā)生二次回火，基體硬度下降；如果沉積溫度遠低于回火溫度，會導致轟擊能量較低，影響涂層致密性[14]。20CrMnTi滲碳鋼的回火溫度較低，一般在180 ℃左右；而目前采用電弧離子鍍制備CrN涂層的沉積溫度一般在400～450 ℃[15-16]，有關(guān)較低沉積溫度下制備CrN涂層的研究較少。因此，作者在120，150,180 ℃沉積溫度下采用電弧離子鍍技術(shù)在20CrMnTi滲碳鋼表面制備CrN涂層，研究了沉積溫度對涂層微觀結(jié)構(gòu)、硬度和摩擦磨損性能的影響，以期為優(yōu)化工藝參數(shù)而制備出性能優(yōu)異的涂層提供一定的試驗指導。

1 試樣制備與試驗方法

基體材料為尺寸φ20 mm×3 mm的20CrMnTi滲碳鋼，其化學成分見表1，熱處理工藝為930～950 ℃油淬→滲碳→180 ℃回火。基體經(jīng)打磨、超聲清洗后，采用ICS-S800型電弧離子鍍膜設(shè)備制備CrN涂層，靶材(純度99.9%鉻)為陰極，基體為陽極，預抽真空到0.5 Pa，將基體分別加熱到120，150，180 ℃，通入氬氣(流量200 mL·min-1)，氬氣在輝光放電下電離形成 Ar+，Ar+在基體負偏壓的吸引下刻蝕基體12 min，去除基體表面的氧化物；隨后通入氮氣(流量150 mL·min-1)，基體偏壓為-100～-200 V，電流為110～170 A，沉積時間為166 min。

表1 20CrMnTi鋼的化學成分

按照JB/T 7707-1995，采用球痕法測量不同溫度沉積得到涂層的厚度，鋼球直徑為20 mm，旋轉(zhuǎn)時間為15 min，停止研磨后擦凈試樣表面，在VK-X1000型激光共聚焦顯微鏡上放大100倍后測量研磨凹坑的尺寸，計算涂層的厚度。利用XRD-6100型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成，采用銅靶，Kα射線，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描范圍為20°～90°，掃描速率為3(°)·min-1，掃描步長為0.02°。利用VK-X1000型激光共聚焦顯微鏡測涂層的表面粗糙度Ra，并得到涂層的表面三維形貌。采用 FALCON511型維氏硬度計對涂層的硬度進行測試，測5次取平均值，載荷為0.25 N，保載時間為15 s。利用HDS-I型X射線應力測定儀對涂層進行殘余應力分析,采用鉻靶，Kα射線，管電壓為22 kV，管電流為6 mA，測試范圍2θ為150°～162°。利用MM-2HB型環(huán)塊滑動摩擦磨損試驗機對涂層進行干摩擦磨損試驗，施加載荷為20 N，對磨環(huán)材料為45鋼，尺寸為φ40 mm×10 mm，轉(zhuǎn)速為400 r·min-1，磨損時間為30 min。利用Phenom XL型臺式掃描電子顯微鏡(SEM)對摩擦磨損試驗前后涂層的表面形貌進行觀察，并用附帶的能譜儀(EDS)對摩擦磨損試驗后涂層表面的微區(qū)成分進行分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 厚度、物相組成和表面質(zhì)量

圖1 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的XRD譜Fig.1 XRD patterns of prepared CrN coating at different deposition temperatures

利用球痕法計算得到沉積溫度為120,150,180 ℃時，涂層的厚度分別為1.699,1.833,1.842 μm，涂層厚度隨沉積溫度的升高而增大。這是由于在一定范圍內(nèi)，隨著沉積溫度升高，吸附原子的活性增強，涂層沉積速率增加，導致涂層的厚度增加[17]。由圖1可知，不同沉積溫度下CrN涂層均出現(xiàn)了六方晶體結(jié)構(gòu)Cr2N相和面心立方結(jié)構(gòu)CrN相的衍射峰，說明涂層中均出現(xiàn)了CrN和Cr2N相，其中CrN(101)衍射峰強度較高，說明涂層在此方向結(jié)晶較好。由于低溫沉積時原子活性低，不足以全部形成能量較高的CrN相，因此CrN涂層中出現(xiàn) Cr2N相[18]。120,180 ℃沉積溫度下制備的CrN涂層還出現(xiàn)了CrN(220)、CrN(222)和Cr2N(021)相衍射峰，且CrN(220)衍射峰的峰形不明顯，相對強度較弱，呈非晶化趨勢。

由圖2可以看出，不同沉積溫度下制備的涂層表面隨機分布著一些白色顆粒、針孔和凹坑缺陷。白色顆粒是由電弧離子鍍沉積過程中產(chǎn)生的液滴飛濺并黏附在涂層表面所致。大顆粒的產(chǎn)生會嚴重影響涂層表面質(zhì)量，可通過阻擋屏蔽裝置、電場抑制、調(diào)整工藝參數(shù)等方法來減少甚至完全消除[19]。針孔和凹坑主要是因為液滴飛濺造成的陰影效應和涂層競相生長所致[20-21]。涂層表面所呈現(xiàn)的條帶狀形貌是在基體拋光過程中形成的劃痕。相比于120 ℃和180 ℃下制備的涂層，150 ℃下制備的CrN涂層表面白色顆粒、針孔、大凹坑缺陷較少，表面質(zhì)量較好。

圖2 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的表面微觀形貌Fig.2 Surface mircomorphology of prepeared CrN coating at different deposition temperatures

圖3 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的表面三維形貌Fig.3 Three dimensional surface topography of prepared CrN coating at different deposition temperatures

基體表面的平均表面粗糙度為0.197 8 μm。由表2可以看出，在基體表面沉積CrN涂層后，其表面粗糙度降低，且150 ℃下制備得到CrN涂層的表面粗糙度最小。由圖3可以看出,120 ℃下制備的CrN涂層表面存在明顯的大顆粒，150 ℃下制備的涂層表面較平整，180 ℃下制備的涂層表面可觀察到明顯的凹坑，與微觀形貌的觀察結(jié)果相吻合，進一步說明了150 ℃下制備的CrN涂層具有較好的表面質(zhì)量。

表2 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的表面粗糙度

2.2 殘余應力和硬度

基體的硬度為340.76 HV，沉積溫度為120,150,180 ℃時，涂層的平均硬度分別為561.11,754.29,734.14 HV。可知CrN涂層可有效提高基體表面硬度，并且隨著沉積溫度的升高，涂層的硬度呈先升高后降低的趨勢，150 ℃下制備得到CrN涂層的硬度最高。隨著沉積溫度的升高，粒子轟擊能量增大，涂層更加致密，涂層的硬度提高；但當溫度過高時，粒子運動加劇，涂層中凹坑等缺陷增多，硬度略微降低[22]。殘余應力包括涂層與基體熱膨脹系數(shù)差異引起的熱應力以及沉積過程中缺陷產(chǎn)生所引起的生長應力。沉積溫度為120,150,180 ℃時，涂層中的殘余應力分別為-140，-262，-206 MPa。可知殘余應力均為壓應力，且殘余壓應力的變化趨勢與硬度一致，當沉積溫度為150 ℃時，殘余壓應力達到最大值。

2.3 摩擦磨損性能

由圖4可以看出:在試驗時間0～10 min內(nèi)，120 ℃下制備得到的CrN涂層摩擦因數(shù)較低，平均值為0.184 2，隨著時間的延長，摩擦因數(shù)增大，且波動較大，在試驗時間10～30 min內(nèi)的平均摩擦因數(shù)為0.253 7；150 ℃下制備得到的CrN涂層在整個試驗過程中的摩擦因數(shù)波動較小，平均摩擦因數(shù)為0.251 7；180 ℃下制備的涂層在整個摩擦過程中的摩擦因數(shù)較大，波動較小，平均值為0.426 4。摩擦因數(shù)的大小與表面質(zhì)量有關(guān)，表面缺陷越多，表面粗糙度越大，摩擦因數(shù)越大，150 ℃制備的涂層表面缺陷最少，表面粗糙度最低，此時摩擦因數(shù)最低。

圖4 不同沉積溫度下制備得到CrN涂層的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線Fig.4 Friction coefficient vs time curves of prepared CrN coatings at different deposition temperatures

由圖5可以看出，120 ℃下制備得到的CrN涂層在試驗30 min后，其磨損表面出現(xiàn)大量凹坑和劃痕；位置1與位置2處表面碳、氧和鐵含量較多，遠多于基體中各元素含量，鉻元素含量較低，且位置2處出現(xiàn)硅元素和鉬元素，說明摩擦環(huán)已磨穿涂層并開始磨損基體，此時涂層發(fā)生了磨粒磨損、氧化磨損和黏著磨損。由圖6可以看出：150 ℃下制備得到的CrN涂層經(jīng)過30 min試驗后，其磨損表面出現(xiàn)犁溝；位置3和位置4處的鐵元素和碳元素含量較多，同時出現(xiàn)了少量錳元素，說明涂層發(fā)生了磨粒磨損和黏著磨損，但未出現(xiàn)氧元素，說明涂層未發(fā)生氧化磨損。由圖7可以看出，180 ℃下制備涂層的磨損表面存在犁溝，位置5和位置6處的氧元素和鐵元素含量遠超過基體中各元素含量，位置5處未出現(xiàn)鉻元素，且位置6處出現(xiàn)錳元素，說明涂層已被磨穿，此時發(fā)生了磨粒磨損、氧化磨損和黏著磨損。

圖5 120 ℃下制備得到CrN涂層在試驗30 min后的磨損形貌和不同位置的EDS譜Fig.5 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 120 ℃ after test for 30 min: (b) position 1 and (c) position 2

圖6 150 ℃下制備得到CrN涂層在試驗30 min后的磨損形貌和不同位置的EDS譜Fig.6 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 150 ℃ after test for 30 min: (b) position 3 and (c) position 4

圖7 180 ℃下制備得到CrN涂層在試驗30 min后的磨損形貌和不同位置的EDS譜Fig.7 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 180 ℃ after test for 30 min: (b) position 5 and (c) position 6

3 結(jié) 論

(1) 采用電弧離子鍍技術(shù)在20CrMnTi滲碳鋼表面制備得到的CrN涂層由CrN相和Cr2N相組成；隨沉積溫度的升高，涂層厚度增加，表面粗糙度先減小后增大，150 ℃下沉積后的表面粗糙度最小，為0.101 2 μm，涂層表面顆粒、針孔、凹坑缺陷少，表面質(zhì)量最好。

(2) CrN涂層可有效提高20CrMnTi滲碳鋼表面硬度，隨沉積溫度的升高，硬度先升高后降低，殘余應力均為壓應力，且殘余壓應力隨沉積溫度的變化趨勢與硬度一致，150 ℃下制備得到涂層的硬度和殘余壓應力最高，分別為754.29 HV，262 MPa。

(3) 150 ℃下制備的涂層的平均摩擦因數(shù)最小，為0.2517，此時涂層的主要磨損機制為磨粒磨損和黏著磨損，而120 ℃和180 ℃下制備得到的CrN涂層還發(fā)生了氧化磨損。