Ti靶電流對(duì)CrTiAlN涂層摩擦磨損性能的影響

羅艷艷 施 雯 萬(wàn) 紫

(1. 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2. 上海匯眾汽車(chē)制造有限公司，上海 200120)

自20世紀(jì)80年代起，物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)技術(shù)逐漸開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于銑刀和鉆頭等切削刀具的涂層處理[1- 2]。TiN和CrN等二元硬質(zhì)涂層能明顯提高刀具的硬度、熱穩(wěn)定性和使用壽命。隨著涂層技術(shù)的應(yīng)用逐漸成熟，涂層元素也日趨多樣化。Ding等[3]探究了Al含量對(duì)CrAlN涂層性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al/Cr原子比為0.5左右時(shí)，CrAlN涂層的耐磨性是CrN涂層的6倍以上；之后，Endrino[4]與Sánchez- López等[5]也分別探究了Si與Y元素對(duì)CrAlN基涂層性能的影響，尤其是摩擦磨損性能。近年來(lái)，PVD技術(shù)在模具的工作表面強(qiáng)化處理中的應(yīng)用也越來(lái)越多[6]。如Podgraj?ek等[7]研究了TiAlN涂層在CrMoV熱鍛模上的應(yīng)用；Nilsson等[8]研究了(Ti,Al)N和CrN涂層在Ovatec 677拉絲模上的應(yīng)用；Beake等[9]研究了AlCrN- TiAlN和AlTiN涂層在H13鋼熱作模上的應(yīng)用。

當(dāng)今，高強(qiáng)鋼板以及超高強(qiáng)鋼板因其可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化、提高汽車(chē)安全性、降低油耗、減少污染等優(yōu)點(diǎn)，逐漸應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身制造[10- 11]。但其高的強(qiáng)度與成形力對(duì)冷作模具整體的強(qiáng)、韌性與表面的摩擦磨損性能提出了更高的要求[12- 13]。而利用PVD技術(shù)在冷作模具鋼表面沉積涂層可改善其性能。因此，本文針對(duì)冷沖高強(qiáng)鋼板及超高強(qiáng)鋼板模具，在前期研究的基礎(chǔ)上[14- 15]，利用非平衡磁控濺射技術(shù)在SDC99冷作模具鋼表面沉積CrTiAlN涂層，通過(guò)調(diào)控Ti靶電流來(lái)探究Ti含量對(duì)CrTiAlN涂層的表面性能和摩擦磨損性能的影響，為尋求最佳的沉積工藝參數(shù)以及提高沖裁模的使用壽命提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為SDC99冷作模具鋼[16]，其化學(xué)成見(jiàn)表1。熱處理工藝為1 080 ℃真空淬火+525 ℃×1 h回火2次，硬度為62 HRC。測(cè)試力學(xué)性能和摩擦磨損性能的試樣尺寸分別為30 mm×10 mm×7 mm、φ20 mm×3 mm(干磨)和30 mm×3 mm×7 mm(油磨)。基體表面粗糙度Ra<0.01 μm。

表1 SDC99鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of SDC99 steel (mass fraction) %

采用DXP650/4閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備在試樣表面沉積CrTiAlN涂層。沉積步驟為：采用-500 V的偏壓對(duì)試樣進(jìn)行離子濺射清洗，然后在試樣表面沉積Cr- CrN- CrTiAlN多層涂層。沉積條件：純度為99.998%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Ar和N2，整個(gè)過(guò)程Ar氣流量保持在15 sccm；本底真空度為2×10-5torr，沉積氣壓為1.2×10-3torr，基體偏壓為-65 V，OEM值為65%；Cr靶和Al靶電流恒定，Ti靶電流分別為0、2、4、6、8 A。采用球坑儀、XRD、SEM等檢測(cè)涂層的厚度、成分和結(jié)構(gòu)；采用維氏和洛氏表面硬度儀定性分析涂層的結(jié)合性能；采用原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量納米硬度；采用銷(xiāo)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和MM- 200型磨損試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)定涂層的干摩擦和油摩擦磨損性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的化學(xué)成分、厚度和表面粗糙度如表2所示?？梢?jiàn)，隨著Ti靶電流從0 A增加到8 A，Ti靶表面單位時(shí)間內(nèi)的離化率增加，到達(dá)基體表面的離子數(shù)增加[17]，涂層中Ti元素的原子分?jǐn)?shù)從0非線性增加到7.69%，Cr元素的原子分?jǐn)?shù)從56.59%減少到41.36%，N元素的原子分?jǐn)?shù)從39.28%增加到47.11%，Al元素的原子分?jǐn)?shù)保持在4%左右。同理，單位時(shí)間內(nèi)撞擊基體表面的粒子數(shù)增加，二次濺射效果增強(qiáng)，涂層的厚度從3.39 μm非線性增加到4.25 μm，涂層表面粗糙度介于0.013～0.022 μm之間。

以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的XRD衍射圖譜如圖1所示?？梢?jiàn)，在37°、44°和64°位置存在(111)、(200)和(220)3種不同強(qiáng)度的衍射峰，類(lèi)似于面心立方結(jié)構(gòu)的CrN涂層[18]，且在(200)方向上擇優(yōu)取向。隨著Ti靶電流的增加，(111)衍射峰強(qiáng)度逐漸增加，峰位2θ向小角度偏移趨勢(shì)愈加明顯。衍射峰左移[19]主要是因?yàn)橥繉又蠺i含量變化與各元素原子半徑的不同(rTi>rAl>rCr)，即CrTiAlN涂層的晶格畸變程度隨Ti含量的增加而增大。

表2 以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的化學(xué)成分、厚度和表面粗糙度Table 2 Chemical compositions, thicknesses and surface roughness of CrTiAlN coatings prepared at different Ti target currents

圖1 不同Ti含量涂層的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of CrTiAlN coatings with different Ti contents

以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的納米硬度和彈性模量如表3所示?？梢?jiàn)，隨著Ti靶電流的增加，一方面固溶強(qiáng)化效果增強(qiáng)，另一方面離子對(duì)基體的轟擊作用增強(qiáng)，涂層的致密性提高，涂層的納米硬度從17.39 GPa逐漸增加至26.08 GPa，彈性模量從227.87 GPa逐漸增加至302.86 GPa。

表3 以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的納米硬度和彈性模量Table 3 Nano- hardness and elastic modulus of CrTiAlN coatings prepared at different Ti target currents

以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層表面的維氏(45 kg)和洛氏(60 kg)硬度壓痕形貌如表4所示，圖2為3號(hào)(ITi=4 A)涂層試樣的洛氏硬度壓痕形貌。從表4中可以看出，所有涂層表面的維氏壓痕除少量徑向裂紋與巢狀裂紋外，均未出現(xiàn)明顯的脆性剝落。但洛氏壓痕隨著試驗(yàn)力的增大均出現(xiàn)了不同程度的剝落，其中3號(hào)涂層基本無(wú)剝落(見(jiàn)圖2)。

表4 以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的表面壓痕形貌Table 4 Appearance of surface indentation of CrTiAlN coatings prepared at different Ti target currents

圖2 3號(hào)(ITi=4 A)涂層試樣的洛氏硬度壓痕形貌Fig.2 Rockwell indentation pattern of coating No.3(ITi=4 A)

2.2 干摩擦磨損性能

以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層在穩(wěn)定階段的干摩擦因數(shù)如表5所示?？梢?jiàn)，隨著Ti靶電流的增加，涂層的平均干摩擦因數(shù)介于0.3～0.45之間，均低于基體的摩擦因數(shù)0.49。圖3為以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的干磨損率變化曲線。可見(jiàn)，隨著Ti靶電流的增加，涂層的磨損率從0.98×10-9mm3/(N·mm)降低到0.64 ×10-9mm3/(N·mm)，然后再升高到0.89×10-9mm3/(N·mm)，即Ti靶電流為4 A時(shí)制備的涂層的磨損率最小，為不含Ti涂層的65.31%。Ti靶電流較低(0、2 A)時(shí)，涂層的硬度及與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，摩擦因數(shù)和磨損率較高；隨著Ti靶電流增加至4 A，涂層的硬度、彈性模量及與基體的結(jié)合強(qiáng)度提高，涂層的磨損面積減小，摩擦因數(shù)和磨損率降低至最小值；但當(dāng)Ti靶電流進(jìn)一步增加至6 A乃至8 A時(shí)，涂層的韌性及與基體的結(jié)合強(qiáng)度略有下降，涂層發(fā)生部分剝落，形成三體磨損，致使摩擦因數(shù)和磨損率增加。

2.3 油摩擦磨損性能

以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的油磨損體積和磨損率變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可知，隨著磨損時(shí)間的增加，涂層的磨損體積逐漸增大。當(dāng)靶材電流較低(0、2 A)時(shí)，油磨14 h后涂層的磨損體積急劇增加；靶材電流較高(4、6、8 A)時(shí)，涂層的磨損體積增加緩慢。由圖4(b)可知，涂層的磨損率隨磨損時(shí)間的增加先降低后升高。當(dāng)Ti靶電流為0與2 A時(shí)，1號(hào)(0 A)和2號(hào)(2 A)涂層油磨6 h后的磨損率最低，油磨14 h后磨損率急劇增加，磨損至26 h，磨損率分別高達(dá)8.22×10-12和6.61×10-12mm3/(N·mm)；當(dāng)Ti靶電流為4、6和8 A時(shí)，油磨14 h后3號(hào)(4 A)、4號(hào)(6 A)和5號(hào)(8 A)涂層的磨損率最低，隨后緩慢增加，油磨26 h后的磨損率分別為2.11×10-12、2.33×10-12和2.62×10-12mm3/(N·mm)，為1號(hào)(0 A)涂層磨損率的25.67%、28.35%和31.87%。

表5 以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的平均干摩擦因數(shù)Table 5 Average dry friction coefficients of CrTiAlN coatings prepared at different Ti target currents

圖3 以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的干磨損率變化曲線Fig.3 Variation curve of dry wear rate of CrTiAlN coatings prepared at different Ti target currents

圖4 以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的油磨損體積(a)和磨損率(b)變化曲線Fig.4 Variation curves of oil wear volume (a) and wear rate (b) of CrTiAlN coatings prepared at different Ti target currents

1、3和5號(hào)涂層油磨26 h后的SEM形貌如圖5所示。可見(jiàn)，磨損區(qū)主要由“犁溝”和“點(diǎn)坑”組成，且呈不規(guī)則區(qū)域磨損。如表6所示，犁溝處(A)成分(原子分?jǐn)?shù)，下同)含有8.36%Cr、89.76%Fe和1.83%Mo，與基體成分基本一致，即涂層完全磨損；磨損過(guò)渡區(qū)(B和C)除含9.72%Cr外，還有少量的Al和N，即涂層發(fā)生了部分磨損。另外，5號(hào)試樣磨損形貌與1號(hào)相似，3號(hào)試樣“犁溝”較1號(hào)輕，但“點(diǎn)坑”數(shù)量增加。可見(jiàn)，隨著Ti靶電流的增加，涂層的厚度與納米硬度逐漸增加，而韌性和結(jié)合強(qiáng)度先提高后降低，其中3號(hào)(ITi=4A)涂層的韌性和結(jié)合強(qiáng)度最佳，故其油磨26 h后的磨損率最低，為磨粒磨損和疲勞磨損的綜合結(jié)果。

圖5 涂層試樣油磨26 h后的SEM形貌Fig.5 SEM Morphologies of coating samples after oil wear for 26 h

表6 圖5中A、B和C處的成分(原子分?jǐn)?shù))Table 6 Compositions at positions A, B and C in Fig.5(atom fraction) %

3 結(jié)論

(1)隨著Ti靶電流的增加(0～8 A)，CrTiAlN涂層中Ti的原子分?jǐn)?shù)從0非線性增加到7.69%；涂層厚度由3.39 μm增加至4.25 μm；納米硬度由17.39 GPa增加至26.08 GPa，且Ti靶電流為4 A時(shí)，涂層的韌性及與基體的結(jié)合力最佳。

(2)干摩擦磨損條件下，隨著Ti靶電流的增加(0～8 A)，涂層的摩擦因數(shù)和磨損率先降低后升高，Ti靶電流為4 A時(shí)沉積的涂層具有最低的摩擦因數(shù)和磨損率，分別為0.3與0.64×10-9mm3/(N·mm)，磨損率為不含Ti涂層(0.98×10-9mm3/(N·mm))的65.31%。

(3)油摩擦磨損條件下，Ti靶電流為4、6與8 A時(shí)，涂層的磨損體積和磨損率明顯降低，在Ti靶電流為4 A時(shí)，涂層的磨損率最低，為2.11×10-12mm3/(N·mm)，僅為不含Ti涂層磨損率(8.22×10-12mm3/(N·mm))的25.67%，為磨粒磨損與疲勞磨損的綜合結(jié)果。