脈沖偏壓電弧離子鍍氮化鉻涂層的制備技術(shù)及性能.pdf

1、過(guò)渡族金屬氮化物涂層因?yàn)榫哂杏捕群涂鼓p性能優(yōu)勢(shì)，所以被廣泛用作切削和成型工具表面改性，有效地降低各類(lèi)零部件的機(jī)械磨損、化學(xué)腐蝕和高溫氧化傾向，提高各種刀具、工模具等的耐磨性能、可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。氮化物涂層的制備有多種方法，包括分子束外延生長(zhǎng)、離子束輔助沉積、電弧離子鍍、三極濺射和非平衡磁控濺射等。近幾年研究證明，與已經(jīng)得到廣泛工業(yè)應(yīng)用的TiN涂層相比，CrN涂層除了具有更高的硬度、更低的內(nèi)應(yīng)力、更好的韌性和耐磨性、更易厚膜化外，

2、還具有比TiN更好的耐腐蝕性能和干式切削性能，而且在CrN體系中可以達(dá)到極高的沉積速率。另外，其工藝較易控制，有利于大批量的工業(yè)生產(chǎn)，更加具有實(shí)際意義，因此，CrN涂層是最有希望的TiN替代材料之一。 本文采用直流疊加脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼基體上制備出膜基結(jié)合良好、性能優(yōu)異的CrN涂層，研究了CrN涂層的制備技術(shù)，并采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、X射線衍射儀、顯微硬度儀、球—盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、納米劃痕儀、原子力顯微鏡、表面粗糙度

3、儀和電化學(xué)分析儀等檢測(cè)手段，系統(tǒng)研究了脈沖偏壓對(duì)CrN涂層的表面形貌、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨性能、耐腐蝕性能和干式切削性能的影響，并與TiN、TiAlN涂層的性能進(jìn)行了對(duì)比研究，從理論上揭示了CrN涂層提高高速鋼耐磨性能、耐腐蝕性能和干式切削性能的機(jī)理，還從理論上計(jì)算和探討了脈沖偏壓對(duì)電弧離子鍍等離子鞘層電勢(shì)分布的影響以及其對(duì)電弧離子鍍所特有的大顆粒在鞘層中受力的影響。研究結(jié)果表明： 1、直流疊加脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)是實(shí)現(xiàn)低

4、溫技術(shù)制備高質(zhì)量CrN涂層的有效方法。所制得的CrN涂層結(jié)構(gòu)致密，厚度約為2.4μm，與高速鋼基體結(jié)合良好。當(dāng)基體偏壓為100V時(shí)，CrN涂層的綜合性能最優(yōu)異。 2、沉積條件直接決定得到的CrN涂層的表面質(zhì)量和相結(jié)構(gòu)。隨著偏壓的增加，CrN涂層生長(zhǎng)速率降低，厚度減?。煌繉颖砻骖w粒逐漸變少，表面粗糙度降低，表面趨于平整；膜基結(jié)合力增強(qiáng)。各種條件下沉積的CrN涂層主要由Cr2N相和CrN相組成，沒(méi)有單質(zhì)Cr相存在，隨著偏壓的增加，C

5、rN涂層結(jié)晶度增大，晶粒尺寸增加；涂層的擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變較大，并主要發(fā)生在CrN(211)、Cr2N(110)和Cr2N(220)方向上。 3、偏壓對(duì)CrN涂層的硬度和摩擦學(xué)性能有決定性影響。隨偏壓增加，CrN涂層硬度先增加到2800HV左右，后減??；摩擦系數(shù)先增大到0.68左右，隨后減小到偏壓較小時(shí)的水平，比磨率呈相反變化趨勢(shì)。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)偏壓為100V時(shí)，CrN涂層硬度最高，耐磨性能最佳。隨著摩擦速度和載荷的增大，CrN涂層

6、的摩擦系數(shù)均小于HSS，而且呈減小趨勢(shì)，CrN與GCr15摩擦副間所發(fā)生的摩擦以變形和微裂紋摩擦為主，所發(fā)生的摩損主要是磨粒磨損和表面疲勞磨損的貢獻(xiàn)。 4、適當(dāng)?shù)拿}沖偏壓對(duì)電弧離子鍍CrN涂層的耐蝕性能具有促進(jìn)作用。隨著偏壓上升，CrN涂層的耐蝕性能先增加后降低，偏壓為100V時(shí)的CrN涂層的耐蝕性能最好。CrN涂層的耐蝕性能優(yōu)于鍍覆TiN涂層的耐蝕性能，略低于TiAlN涂層。CrN涂層在NaCl溶液中的腐蝕以小孔腐蝕為主，同時(shí)

7、存在縫隙腐蝕及電偶腐蝕，涂層中存在的貫穿涂層厚度的針孔或大顆粒等缺陷顯著降低了涂層的耐腐蝕性能。細(xì)化晶粒、減少涂層中大顆粒及縫隙等缺陷可顯著提高涂層的耐腐蝕性能。 5、干式鉆削鋁合金時(shí)，CrN涂層鉆頭鉆削性能優(yōu)于TiN、TiAlN涂層，明顯優(yōu)于未涂層高速鋼鉆頭，在同等條件下，鉆頭鉆孔個(gè)數(shù)為25個(gè)時(shí)，CrN涂層鉆頭沒(méi)有粘著和剝落現(xiàn)象，CrN涂層高速鋼鉆頭比TiN涂層、TiAlN涂層和未涂層高速鋼鉆頭更適合鉆削鋁合金。隨轉(zhuǎn)速升高，C

8、rN涂層鉆頭的鉆削壽命均先增加后降低，轉(zhuǎn)速為2230r/min時(shí)，鉆削性能最佳。經(jīng)鉆削工藝參數(shù)優(yōu)化后的CrN涂層鉆頭壽命是未涂層鉆頭的5倍。CrN、TiN涂層和未涂層高速鋼的磨損以粘結(jié)為主，TiAlN涂層的磨損以涂層剝落和粘結(jié)為主，均屬于物理過(guò)程。 6、理論計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于一定尺度的大顆粒，偏壓越高，大顆粒受到的排斥力越大，即凈化程度隨偏壓幅值提高而提高，顆粒半徑越大，其受到的離子拖拽力和占主導(dǎo)地位的電場(chǎng)力均越大，從而從理論上