離子注入劑量對(duì)鎂合金表面鈦膜的性能影響

簡(jiǎn)國(guó)軍 張法光 李 粉 竇忠宇

（1.安順學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，貴州 安順 561000；2.貴州省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

0 引言

鎂和鎂合金具有密度小、抗沖擊載荷能力好、易于切削加工等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、3C電子工業(yè)及航空航天工業(yè)等領(lǐng)域［1］。鎂合金AZ91具有良好的鑄造性能與最高的屈服強(qiáng)度，可用于制造任何形式的部件并得到廣泛應(yīng)用，但其摩擦耐蝕性能較差。因此通常需要對(duì)鎂合金鑄件進(jìn)行特殊的表面處理，才能保證其優(yōu)異的服役性。表面處理技術(shù)的方法有噴涂表面、表面改性、復(fù)合表面、表面熱處理等手段，常用的方法有噴丸、電鍍、陽(yáng)極氧化、微弧氧化、離子鍍、離子注入、激光表面處理等方法［2］。王成龍等［3］提出采用真空多弧離子鍍膜技術(shù)對(duì)鎂及鎂合金的表面進(jìn)行防護(hù)，結(jié)果顯示制備的多層膜擁有良好的摩擦耐蝕性能。林波等［4］采用單離子注入和雙離子注入的方法對(duì)AZ91鎂合金進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同離子注入后試樣表面形成了AlN、Cr和CrN等新的物相，試樣的腐蝕電位較基體和試樣顯微硬度都有所提高。陶學(xué)偉等［5］通過注入Ti、N、Cr、Al離子發(fā)現(xiàn)，Ti、N單離子注入后鎂合金表面硬度提高最為明顯。任志華等［6］利用等離子輔助化學(xué)氣相沉積法在硬質(zhì)合金刀具上沉積了TiN薄膜，這種薄膜有效提高了刀具的抗磨損性能。Jin等［7］通過自注入的方式將Nd引入WE43鎂合金，在其表面形成包含有Nd2O3和MgO的梯度改性層，有效減小了鎂合金基體的降解速率。采用離子鍍膜和離子注入的復(fù)合工藝在鎂合金表面制備高性能的Ti/TiN復(fù)合納米涂層，研究N離子注入劑量對(duì)Ti膜表面性能的影響，提供一種高性能復(fù)合涂層制備方法。

1 試驗(yàn)

本研究采用的基底材料為鎂合金AC91，使用線切割機(jī)切割成15 mm×15 mm×5 mm的試樣，依次使用1 000#、1 500#和2 000#的水磨砂紙打磨，進(jìn)行拋光處理，在無水乙醇中使用超聲波清洗10 min后冷風(fēng)吹干。磁控濺射鍍鈦采用多功能離子鍍膜機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)條件如下：真空度3×10-3Pa，濺射功率150 W，鍍膜時(shí)間120 min，鍍膜前進(jìn)行離子清洗1 min。采用多功能離子注入與沉積設(shè)備進(jìn)行N離子注入，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

使用臺(tái)階儀測(cè)量了鎂合金表面Ti膜的厚度，采用顯微維氏硬度計(jì)（HV-1000）對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)量，求取5個(gè)點(diǎn)的測(cè)量平均值，測(cè)量載荷為HV0.025，保載時(shí)間為10 s。使用UMT-2摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)速100 r/min，摩擦半徑12 mm，時(shí)間20 min，使用直徑為6 mm的Al2O3球進(jìn)行干摩擦。在摩擦試驗(yàn)前后使用精度為0.000 1 g的電子天平進(jìn)行稱量，用失重法來評(píng)價(jià)不同處理試樣的耐磨損性能。采用TSCAN的掃描電鏡對(duì)試樣表面及磨痕形貌進(jìn)行了觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層厚度與表面形貌

鎂合金鍍鈦層的厚度測(cè)量與表面形貌如圖1所示。從圖1中可以看到，采用磁控濺射方法制備的鎂合金表面鈦膜厚度為713 nm。從鈦層的表面形貌可以看到磁控濺射的膜層連續(xù)完整，拋光后的痕跡由于鈦膜較薄清晰可見，同時(shí)表面有融液形成的顆粒存在，增加了試樣表面的粗糙度。

圖1 鎂合金鍍鈦層厚度與表面形貌

2.2 表面顯微硬度

顯微硬度是材料表面的重要性能，反映材料抵抗局部彈塑性變形的能力，是對(duì)材料表面性能的綜合量度［8］，其與摩擦性能密切相關(guān)。3個(gè)樣品的維氏硬度測(cè)量結(jié)果見表2，3#試樣維氏硬度測(cè)量結(jié)果見表3。根據(jù)硬度測(cè)試結(jié)果可知，相較于鍍鈦的樣品，經(jīng)過離子注入后表面的硬度顯著提高。2#試樣的顯微硬度提升了14.05%，3#試樣的顯微硬度提升了31.41%。表面顯微硬度的提升說明表面形成了較硬的涂層結(jié)構(gòu)，說明經(jīng)過N離子注入后Ti層中有TiN的生成，Savaloni等［9］采用離子注入鈦箔中發(fā)現(xiàn)有TiN的出現(xiàn)說明了這一點(diǎn)。離子注入的劑量達(dá)到一定值后會(huì)產(chǎn)生明顯的晶粒細(xì)化，導(dǎo)致晶界數(shù)量增加，造成強(qiáng)化效果，提高了材料的硬度［10］。通過對(duì)磁控濺射鍍鈦層進(jìn)行離子注入是有效的方法，可以提升鍍鈦層的力學(xué)性能。

表2 維氏顯微硬度測(cè)量結(jié)果與分析表

2.3 摩擦磨損性能

使用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)完成摩擦試驗(yàn)后得到20 min的平均摩擦系數(shù)μ，再通過電子天平測(cè)量得到試樣的磨損失重，如圖3所示。表面鍍鈦的試樣平均摩擦系數(shù)為0.503，較低的N離子注入劑量下摩擦系數(shù)下降到0.395，注入劑量進(jìn)一步提高后摩擦系數(shù)為0.299。由此可知，隨著注入劑量的提高，鎂合金表面鈦膜的摩擦性能得到提高。這是由于表面TiN的出現(xiàn)，摩擦磨損性能強(qiáng)烈依賴于材料表面的硬度、強(qiáng)度等物理性能［11］，表面顯微硬度的提高降低了摩擦系數(shù)，磨損失重的數(shù)據(jù)也說明了這一點(diǎn)。相較于未注入試樣，在注入劑量為5×1017icon/cm2時(shí)，磨損量為未處理時(shí)的三分之一，表面膜層中TiN含量的增加進(jìn)一步降低了摩擦系數(shù)，提高了復(fù)合涂層的耐磨損性能。

圖2 3#試樣維氏硬度測(cè)量結(jié)果

圖3 試樣的平均摩擦系數(shù)和磨損失重量

3個(gè)不同試樣的磨痕形貌如圖4所示。由圖4可知，鍍鈦試樣表面磨損情況較嚴(yán)重，出現(xiàn)了大塊的涂層剝離，有明顯的磨粒和黏著磨損痕跡；經(jīng)過離子注入之后的樣品磨損程度明顯減輕，表面完整度得到提高，磨粒磨損和黏著磨損的程度大幅改善；在較高的離子注入劑量下耐磨性能進(jìn)一步提高，表面的完整度提高。磨損性能的改善是由于表面Ti/TiN復(fù)合涂層的影響，離子注入后表面硬度提高，晶粒細(xì)化降低了膜層的表面粗糙度。磨損性能的提高與摩擦系數(shù)的表現(xiàn)是一致的。

圖4 不同試樣的磨痕形貌

3 結(jié)論

采用磁控濺射和離子注入的方法在鎂合金表面制備了Ti/TiN復(fù)合涂層，研究了涂層表面的力學(xué)和摩擦磨損性能，得到以下結(jié)論。

①離子注入后鎂合金表面Ti膜的顯微硬度增大，隨注入劑量的增加而增加，這是由于TiN相的出現(xiàn)，表面形成了Ti/TiN復(fù)合涂層，晶粒細(xì)化也造成了強(qiáng)化效果。

②通過N離子處理后鎂合金表面的Ti/TiN復(fù)合涂層摩擦系數(shù)降低，耐磨損性能得到提高。隨著注入劑量的提高，摩擦磨損性能進(jìn)一步提高，這是由于硬度提高和表面粗糙度降低而產(chǎn)生的效果。