(CrTiNb)N多组元硬质反应膜的力学性能

张 钧, 王 宇, 丰 宇

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)



(CrTiNb)N多组元硬质反应膜的力学性能

张 钧, 王 宇, 丰 宇

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

采用多弧离子镀技术,通过Ti-Nb合金靶与Cr单质靶组合,在高速钢基体上制备了(CrTiNb)N单层硬质反应膜和复合硬质反应膜.利用扫描电镜、X射线衍射仪对膜层表面、断面形貌、成分、相结构进行观察测定;系统考察了膜层的显微硬度、膜/基附着力、摩擦磨损等力学性能;讨论了沉积工艺和Nb元素的添加对膜层组织和性能的影响作用,揭示了(CrTiNb)N复合硬质反应膜可以实现硬度、附着力、耐磨性能的综合优化.

(CrTiNb)N; 显微硬度; 附着力; 摩擦磨损

近年来,随着各种PVD、CVD技术的不断完善,硬质膜的研究和应用取得了长足的进展.就膜层成分来看,已经从单一的金属氮化物膜发展为多组元氮化物、多组元碳化物、碳氮化物、氮氧化物等;就膜层结构形式而言,已经从单层硬质膜发展为双层硬质膜、成分梯度膜,纳米多层膜等;这些膜层成分和结构形式的改进,主要改善了硬质膜的高温抗氧化性、耐磨性、硬度等力学和物理化学性能[1-5].目前,除了常规的Ti、Al、Cr等元素外,更多的元素、更为复杂的膜层结构形式也引起了硬质膜研究领域极大的兴趣.

作为一种过渡族金属元素的氮化物,NbN薄膜具有耐磨性能好、硬度高等特点.在TiN膜层中添加Nb组元获得的(TiNb)N膜层在硬度以及摩擦磨损性能方面的改善已经为一些实验研究所证实[2,6].因此,研究Nb元素在三组元氮化物中的作用将会有积极的意义.

本研究采用Ti-Nb(x(Ti)∶x(Nb)=75∶25)合金靶及Cr单质靶的组合方式制备(CrTiNb)N单层硬质反应膜及复合硬质反应膜,探索Nb元素的添加对(CrTiNb)N膜层沉积工艺、膜层组织以及力学性能的影响作用,同时对单层膜和复合膜进行比较分析,进而寻求力学性能优化途径与方法.

1 试验材料与试验方法

1.1 (CrTiNb)N硬质反应膜的制备

(Cr,Ti,Nb)N硬质反应膜的沉积试验设备选用MAD-4B型多弧离子镀膜机,镀膜基材选用商用高速钢W18Cr4V抛光试样.采用Ti-Nb(x(Ti)∶x(Nb)=75∶25)合金靶及Cr单质靶组合方式作为阴极弧源靶,选用两个不同高度、不同方位且成90°配置的弧源靶同时起弧.

通过沉积工艺的调整实现两种膜层构成方式,以便对比研究.首先,在背底真空度达到1.3×10-2Pa,温度达到160 ℃时通入氩气,使真空室内压强维持在(2.0～2.2)×10-1Pa,开启两弧源,保持弧电流在55～56 A,偏压从350 V逐渐增加到400 V,进行离子轰击约12 min;然后通过调整气体压强,分别获得(CrTiNb)N单层膜和(CrTiNb)N复合膜,具体见表1中的工艺1和工艺2.沉积偏压选择为100、150和200 V.

1.2 膜层组织与性能测试

(CrTiNb)N硬质反应膜膜层表面、断面形貌以及膜层表面成分采用HITACHIS - 3400N扫描电镜(能谱)进行分析;膜层相结构分析采用X射线衍射仪.表面硬度采用HXD-1000TMB/LCD型显微硬度计进行测试,载荷9.8 mN,载荷保持时间20 s.附着力采用WS-2005膜层附着力自动划痕仪进行测试,试验载荷200 N,加载速率100 N/min,划痕长度4 mm,划痕速率2 mm/min,划痕方式为单往复运动.

摩擦磨损性能采用HT-500型高温摩擦磨损试验机测试完成.对磨材料为SiC陶瓷球.试验设定加载载荷为11.27 N,频率为10 Hz,样品滑动圆周半径分别设定为2.5 mm和5 mm,以便比较滑动速率的影响;试验温度为室温,约20 ℃,加载时间为8 min,摩擦系数范围:0～1.

2 实验结果与讨论

2.1 (CrTiNb)N硬质膜表面形貌与成分

(CrTiNb)N单层膜和(CrTiNb)N复合膜的表面液滴数量均非常少且尺寸很小[7],相比之下容易发现,在相同偏压下,(CrTiNb)N复合膜的表面液滴均多于(CrTiNb)N单层膜,如图1所示.

图1 (CrTiNb)N单层膜及复合膜表面形貌

在不同偏压下的(CrTiNb)N单层膜沉积过程中,尽管N2气体分压的控制是一致的,然而膜层表面的N含量仍然表现为随着偏压的增高而有所下降,Ti与Nb元素的含量随着偏压的增大而逐渐减小,Cr元素含量随偏压的增大而增大;同样的成分变化趋势也存在于(CrTiNb)N复合膜,如表2所示.

与弧源合金靶材的成分相比,膜层中Ti与Nb的原子百分比明显高于合金靶材中Ti与Nb的原子百分比,并且随着偏压的增大,膜层中的Ti与Nb的原子百分比逐渐增大,符合由于使用合金靶材而引起的“成分离析”现象特征[8],尽管尚未有关于使用TiNb合金靶的成分离析规律的报导,但由本试验结果可以推测,Nb元素的离化率低于Ti元素的离化率.

表2 不同偏压下(CrTiNb)N膜的化学成分

2.2 (CrTiNb)N硬质膜断面形貌与N分布

在常温下采取冲击断裂方式获得的(CrTiNb)N单层膜和(CrTiNb)N复合膜膜层断面,如图2所示,均呈现柱状晶特征,膜层厚度随偏压增大无明显变化, (CrTiNb)N单层膜膜层厚度约0.9 μm,(CrTiNb)N复合膜膜层厚度约为1.0 μm.

图2 (CrTiNb)N单层膜及复合膜断口形貌

对于单层膜,由于沉积过程中没有N2气压的变化,膜层成分在膜层厚度方向上是基本一致的;对于复合膜,沉积过程中N2气体压强从0到3.0×10-1Pa分三个阶段增加,因此在膜层中的N含量随着膜层生长而逐渐增大,如图3所示.同时发现,Ti、Cr元素在膜层生长方向上的分布基本不变,Nb元素在接近膜层表面略有减少.

图3 (CrTiNb)N复合膜中的N分布

不同偏压下制备的(CrTiNb)N单层膜和(CrTiNb)N复合膜的X射线衍射图如图4所示.(CrTiNb)N单层膜和(CrTiNb)N复合膜均具有典型的TiN型面心立方结构(B1型NaCl),并且均呈现(111)面择优生长取向.不同偏压下,膜层的择优生长取向未发生改变,这与(TiNb)N膜层的择优生长取向是一致的,本试验中(CrTiNb)N膜层中N摩尔分数超过50%,易于保持(111)面生长[9].

在(CrTiNb)N膜层中,Cr、Nb原子取代了晶胞中部分Ti原子的位置形成置换固溶体,由于Cr原子半径小于Ti原子半径,Nb原子半径大于Ti原子,而Cr含量远高于Nb含量,导致了(CrTiNb)N相的衍射峰向大角度方向偏移(与TiN衍射峰相比).

2.3 膜层附着力与硬度

不同偏压下(CrTiNb)N单层膜与复合膜的显微硬度如表3所示.在相近成分下,与(Ti,Cr)N、(Ti,Nb)N等单层膜相比,(CrTiNb)N单层膜的显微硬度有所提高;而(CrTiNb)N复合膜的显微硬度高于(CrTiNb)N单层膜.

对于TiAlN、TiCrN、TiZrN等二元合金的氮化物硬质反应膜而言,Al、Cr、Zr等第二组元原子是以置换的方式存在于膜层的点阵中,由于它们与Ti在原子半径上的差异,使得这些膜层晶格发生畸变,引起膜层硬度的提高.在(Cr,Ti,Nb)N膜层中Cr、Nb组元的添加,置换TiN晶格中部分Ti原子而引起晶格畸变,进而提高膜层硬度[10-11].

图4 不同偏压下(CrTiNb)N硬质膜的X射线衍射图

(CrTiNb)NI/ACrTiNb沉积偏压/V显微硬度/HV(0.01)附着力/N单层膜50551003100±200>1201503150±200>1202003000±200>120复合膜50551003400±200>2001503450±200>2002003450±200>200

(CrTiNb)N复合膜的结合力均大于200 N,明显高于(CrTiNb)N单层膜,这可以归因于整个膜层结构组成的优化,即,在沉积反应膜之前,预先沉积了一薄层CrTiNb金属膜,能够增强膜层与基体之间的结合;其次,在沉积反应膜的过程中通过逐渐增大氮气分压,以使膜层呈现一定的成分梯次变化,由金属逐步过渡到氮化物;此外,由于只用两个弧源进行镀膜,在镀膜过程中沉积温度没有提升,也降低了膜层生长热应力.

2.4 膜层的摩擦磨损性能

(CrTiNb)N反应膜在不同旋转半径(2.5 mm、5 mm)下进行摩擦试验,旋转半径决定了膜层表面与SiC球之间相对滑动速度.半径越大,速度越快,对磨材料磨损加重,表现为磨痕上黑色粉末增多,摩擦磨损过程不稳定.从(CrTiNb)N单层膜和复合膜的磨损表面形貌容易发现,试验半径的增大,导致膜层摩擦后磨痕形貌较宽,磨损轨迹有一定波动,150 V沉积偏压下制备的(CrTiNb)N单层膜和100 V沉积偏压下制备的(CrTiNb)N单层膜(CrTiNb)N复合膜的磨损形貌,见图5.随着偏压的增大,(CrTiNb)N单层膜和(CrTiNb)N复合膜的摩擦系数均降低,见图6.

图5 (CrTiNb)N膜层表面磨损形貌

图6 (CrTiNb)N单层膜及复合膜的摩擦系数曲线

对比(CrTiNb)N单层膜摩擦试验后的磨痕形貌,(CrTiNb)N复合膜表现为膜层摩擦后磨损量较少,磨痕较浅,摩擦系数明显降低,由此看出,(CrTiNb)N具有更优的耐磨性能.

3 结 论

采用多弧离子镀技术并使用钛铌合金靶和纯铬靶双靶组合制备了(CrTiNb)N单层膜和复合膜,通过对试验结果的讨论分析,可以得出以下结论:在沉积偏压100～200 V的范围内,(CrTiNb)N单层膜和复合膜均为具有(111)面择优生长取向的面心立方结构;与(CrTiNb)N单层膜相比,(CrTiNb)N复合膜具有更好的附着性能、更高的硬度以及更优的耐磨性能,从而保证了硬度、膜/基结合力、耐磨性的同时实现.

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【责任编辑: 赵 炬】

Mechanical Properties of (CrTiNb)N Multi-Components Hard Reactive Films

ZhangJun,WangYu,FengYu

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

(CrTiNb)N single-layer hard reactive films and (CrTiNb)N composite hard reactive films were prepared by multi-arc ion plating (MAIP) technology using the combination of Ti-Nb alloy target and Cr target. The high speed steel (HSS) was adopted as substrate. The surface and cross-fracture morphology, the surface compositions and the phase structures of the as-deposited films were observed and measured by scan electronic microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). The mechanical properties including the micro-hardness, the adhesion between film and substrate, the friction and wear resistance of the as-deposited films were systemically investigated. The effects of deposition process and the addition of Nb element on the as-deposited films were discussed. It is revealed that the optimally comprehensive performances including the micro-hardness, the adhesion and also the friction can be achieved by the (CrTiNb)N composite hard reactive films.

(CrTiNb)N; micro-hardness, adhesion; frictional wear

2016-08-25

辽宁省科技基金资助项目(2015020216).

张 钧(1966-),男,辽宁锦州人,沈阳大学教授,博士.

2095-5456(2016)05-0345-06

TB 43

A