工艺参数对CrNx涂层膜基结合力的影响

宋慧瑾，鄢 强

(1.成都大学工业制造学院，四川 成都 610106;2.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500)

工艺参数对CrNx涂层膜基结合力的影响

宋慧瑾1，鄢 强2

(1.成都大学工业制造学院，四川 成都 610106;2.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500)

采用直流磁控溅射技术制备了CrNx涂层，研究了工艺参数对所制备的CrNx涂层膜基结合力的影响.实验结果表明:N2含量较低时，膜基结合力较好，涂层表面光滑.只加脉冲偏压时，偏压越大，熔滴越大，表面越粗糙.

膜基结合力;CrNx涂层;工艺参数;磁控溅射

0 引言

氮化铬(CrN)具有较高的硬度、良好的韧性与附着力、优良的耐磨和抗氧化性，以及优于Ti基氮化物的耐蚀性，氧化铬的这些特性使得它作为耐磨及防护涂层广泛使用在一些机械零部件、模具和切削工具的表面强化以及提高工具钢及器件的使用寿命等方面［1-3］.目前，制备氧化铬涂层的技术包括阴极弧蒸发、反应磁控溅射、电弧离子镀、离子束辅助沉积、非平衡磁控溅射、脉冲激光沉积、双离子束溅射和电子束蒸发等［4-13］，且有数种制备技术已获得了工业化应用.本研究采用直流磁控溅射技术制备CrNx涂层，同时，通过具体的实验来研究工艺参数对CrNx涂层膜基结合力的影响.

1 实验

1.1 工艺参数

在实验中，本研究采用直流反应磁控溅射技术制备CrNx涂层.具体制作工艺流程为:直径为200 mm的铬(99.99%)金属靶作溅射源，通入Ar和N2混合气体进行反应沉积，本底真空为2×10-3Pa，靶基距为100 mm;在沉积CrNx涂层前，依序对AISI 304不锈钢基体进行切割、研磨、抛光，然后在丙酮和乙醇中分别进行超声清洗;样品吹干后装入夹具并放入真空室内;溅射沉积开始前，对基体加高脉冲负偏压进行等离子辉光清洗，以去除基体表面的污染物，获得清洁表面;在沉积CrNx化合物涂层前，先沉积3 min的金属Cr过渡层，以提高成膜初期的膜基结合力;CrNx涂层的沉积时间为50 min，涂层沉积速率约1.7 nm/s，涂层厚度约5 μm.不同工艺体系下沉积CrNx涂层的工艺参数如表1所示.

表1 不同工艺体系下沉积CrNx涂层的工艺参数表

1.2 试样测试

试样涂层表面采用BX51M系统金相显微镜观察形貌，用MFT-4000型划痕测试仪测试涂层的结合强度.圆锥形金刚石压头尖端半径为0.2 mm，加载速率100 N/min，最大载荷100 N，划痕长度5 mm，取5次测试数据的平均值作为测试结果.

2 结果与讨论

2.1 工艺参数对CrNx涂层膜基结合力的影响

1)不同Ar/N2比下制备的CrNx样品涂层进行划痕测试后的临界载荷如图1所示.

从图1可以看出，N2含量较低时涂层的膜基结合力相对较好，这可能与涂层中含有较多的Cr单元素及涂层硬度相对较高有关，但整体来说涂层与基体(304不锈钢)的结合力较差.

图1 不同Ar/N2比下制备的CrNx样品涂层进行划痕测试后的临界载荷

2)不同Ar/N2比下制备的CrNx样品涂层划痕形貌如图2所示.

图2 不同Ar/N2比下制备的CrNx样品涂层的划痕形貌(×1000倍)

从图2中可以看出，划痕为典型的沟犁式切削，所有涂层表面呈均匀鳞片状剥落，表明膜基结合力较差.这是由于在较低温度下将硬质涂层沉积到较软基体上时，涂层的内应力较大所致.

2.2 工艺参数对CrNx涂层表面形貌的影响

1)不同Ar/N2比下制备的CrNx样品涂层表面形貌如图3所示.

图3 不同Ar/N2比下CrNx样品涂层的表面形貌(×1000倍)

从图3中可以看出，N2含量较低时涂层的表面更光滑.这是因为在Ar含量较高时溅射出的Cr原子的迁移率高，沉积的涂层结晶度较好，而N2含量升高时有更多的Cr-N颗粒限制了Cr原子的迁移率.

2)只加脉冲偏压下制备的CrNx样品涂层表面形貌如图4所示.

图4 不同脉冲偏压下CrNx样品涂层的表面形貌(×1000倍)

从图4中可以看出，涂层表面均可见大熔滴，且脉冲偏压越高，熔滴越大，表面越粗糙.这是由于在脉冲偏压模式下，有一定的时间段加在基体上的偏压为零，此时Cr和N2只被部分离化，生成Cr-N化合物的反应也不充分，大的Cr熔滴不能被全部离化，这些大熔滴沉积在基体表面上就形成了大颗粒.而脉冲偏压增加过高，会导致基体温度进一步升高，反溅射效应增大，在涂层表面形成大量位错、空位等缺陷.同时，温度的升高促使沉积原子在自由面上二次形核，涂层的柱状生长被中止，而被周围发达的柱状晶遮挡.加了直流偏压后，等离子体在外电场作用下被加速，入射粒子能量增加，将基体表面上松散键合的大颗粒除掉.此外，偏压越高，大颗粒就被除去得越多.

3 结论

采用直流磁控溅射技术制备的CrNx涂层，在N2含量较低时，膜基结合力较好，涂层表面光滑;只加脉冲偏压时，偏压越高，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，从事新能源材料与应用技术研究.