杨 虎,王仁鑫,郭子铭,林荣川 (集美大学海洋装备与机械工程学院,厦门 361021)

摘 要:采用电弧离子镀技术于低温在20CrMnTi渗碳钢表面制备了 CrN 涂层,研究了沉积温 度(120,150,180 ℃)对涂层微观结构和性能的影响。结果表明:制备所得 CrN 涂层由 Cr2N 相和 CrN 相组成,随着沉积温度的升高,涂层的厚度增加,表面粗糙度先减小后增大,150 ℃下制备得到 涂层的表面粗糙度最小,涂层表面质量最好;随沉积温度的升高,涂层表面的残余压应力和硬度均 先升高后降低,且均在沉积温度150 ℃时最高,分别为262 MPa,754.29HV;150 ℃下制备的涂层 的平均摩擦因数最小,为0.2517,此时涂层的主要磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损,而120 ℃和 180 ℃下制备得到涂层还发生了氧化磨损。

关键词:电弧离子镀;CrN 涂层;微观结构;硬度;残余应力;摩擦磨损性能 中图分类号:TG174.4 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)10-0075-06

0 引 言

煤炭是我国最主要的一种能源[1],随着能源消 耗的日益增加,开采煤矿的任务也变得更加繁重。 目前,国内开采煤矿主要依赖大型机械设备,而设备 长期在高速、重载、振动、冲击、摩擦磨损等恶劣工况 条件下作业[2],导致设备零部件容易发生磨损、断裂 和腐蚀等失效。20CrMnTi渗碳钢具有良好的低温 冲击韧性,常用于制作高速冲击重载矿山机械轴套, 但在恶劣环境下长时间工作后也会出现腐蚀、断裂 等现象。为延长其使用寿命,可对其进行表面改性 处理。CrN 涂层作为典型的物理气相沉积硬质涂 层,具有较高的硬度以及良好的耐磨和耐腐蚀性能、高温抗氧化性能[3-6],可作为工模具和切削刀具的表 面耐磨防腐涂层。REN 等[7]研究发现,采用直流磁 控溅射技术在304不锈钢表面沉积 CrN 涂层,能显 著提高基体的耐磨性能。王永光等[8]研究发现,采 用电弧沉积技术在40Cr钢齿轮表面制备 CrN 涂层 后,可提 高 齿 轮 在 低 速 重 载 下 的 耐 磨 性 能。朱 峰 等[9]采用离子镀技术在活塞环表面制备 CrN 涂层 并与合金铸铁缸套配对,发现活塞环的磨损量大幅 度降低。物理气相沉积技术具有沉积温度低、沉积 速率快、对环境无污染以及所制备涂层硬度高、耐磨 耐腐蚀 性 好 等 优 点[10-12] ;该 技 术 主 要 分 为 真 空 蒸 镀、溅射镀和离子镀三类,其中离子镀是应用最广泛 的一种镀膜工艺,而电弧离子镀作为其中的一种方 法,具有粒子绕射性好和膜基结合力大等优点。目 前,有关电弧离子镀技术制备 CrN 涂层的工艺研究 主要集中在基体负偏压及占空比两参数上[13]。在 电弧离子镀中,沉积温度是一个重要的工艺参数,其 值的确定主要取决于基体的回火温度:如果沉积温 度远高于回火温度,会导致基体发生二次回火,基体 硬度下降;如果沉积温度远低于回火温度,会导致轰 击能量较低,影响涂层致密性[14]。20CrMnTi渗碳 钢的回火温度较低,一般在180℃左右;而目前采用 电弧离子镀制备CrN 涂层的沉积温度一般在400~ 450 ℃ [15-16],有关较低沉积温度下制备 CrN 涂层的 研究较少。因此,作者在120,150,180 ℃沉积温度 下采用电弧离子镀技术在20CrMnTi渗碳钢表面制 备 CrN 涂层,研究了沉积温度对涂层微观结构、硬 度和摩擦磨损性能的影响,以期为优化工艺参数而 制备出性能优异的涂层提供一定的试验指导。 1 试样制备与试验方法 基体材料为尺寸?20mm×3mm 的20CrMnTi 渗碳钢,其 化 学 成 分 见 表 1,热 处 理 工 艺 为 930~ 950℃油淬→渗碳→180 ℃回火。基体经打磨、超声 清洗后,采 用ICS-S800 型 电 弧 离 子 镀 膜 设 备 制 备 CrN涂层,靶材(纯度99.9%铬)为阴极,基体为阳极, 预抽真 空 到 0.5Pa,将 基 体 分 别 加 热 到 120,150, 180℃,通入氩气(流量200mL·min -1),氩气在辉光 放电下电离形成 Ar + ,Ar + 在基体负偏压的吸引下 刻蚀基体12min,去除基体表面的氧化物;随后通 入氮气(流量150mL·min -1),基体偏压为-100~ -200V,电流为110~170A,沉积时间为166min

按照JB/T7707-1995,采用球痕法测量不同 温度沉积得到涂层的厚度,钢球直径为20mm,旋 转时间 为 15 min,停 止 研 磨 后 擦 净 试 样 表 面,在 VK-X1000型激光共聚焦显微 镜 上 放 大 100 倍 后 测量 研 磨 凹 坑 的 尺 寸,计 算 涂 层 的 厚 度。 利 用 XRD-6100型 X射线衍 射 仪(XRD)分 析 涂 层 的 物 相组成,采用铜靶,Kα 射线,工作电压为40kV,工 作电流为40mA,扫描范围为20°~90°,扫描速率 为3(°)·min -1,扫 描 步 长 为 0.02°。 利 用 VKX1000型激光共聚焦显微镜测涂层的表面粗糙度 Ra,并 得 到 涂 层 的 表 面 三 维 形 貌。 采 用 FALCON511型维氏硬度计对涂层的硬度进行 测 试,测5次取平均值,载荷为0.25N,保 载 时 间 为 15s。利用 HDS-I型 X射线应力测定仪对涂层进行 残余应力分析,采用铬靶,Kα 射线,管电压为22kV, 管电流为6mA,测试范围2θ 为150°~162°。利用 MM-2HB型环块滑动摩擦磨损试验机对涂层进行 干摩擦磨损试验,施加载荷为20N,对磨环材料为 45钢,尺 寸 为 ?40 mm×10 mm,转 速 为 400r· min -1,磨损时间为30min。利用 Phenom XL型台 式扫描电子显微镜(SEM)对摩擦磨损试验前后涂 层的表面形貌进行观察,并用附带的能谱仪(EDS) 对摩擦磨损试验后涂层表面的微区成分进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 厚度、物相组成和表面质量

利用球 痕 法 计 算 得 到 沉 积 温 度 为 120,150, 180℃时,涂层的厚度分别为1.699,1.833,1.842μm, 涂层厚度随沉积温度的升高而增大。这是由于在一 定范围内,随着沉积温度升高,吸附原子的活性增 强,涂层沉积 速 率 增 加,导 致 涂 层 的 厚 度 增 加[17]。 由图1可知,不同沉积温度下 CrN 涂层均出现了六 方晶体结构Cr2N 相和面心立方结构CrN 相的衍射 峰,说明涂层中均出现了CrN 和Cr2N 相,其中CrN (101)衍射峰强度较高,说明涂层在此方向结晶较 好。由于低温沉积时原子活性低,不足以全部形成能量较 高 的 CrN 相,因 此 CrN 涂 层 中 出 现 Cr2N 相[18]。120,180 ℃沉积温度下制备的 CrN 涂层还 出现了 CrN(220)、CrN(222)和 Cr2N(021)相衍射 峰,且 CrN(220)衍射峰的峰形不明显,相对强度较 弱,呈非晶化趋势。 由图2可以看出,不同沉积温度下制备的涂层 表面随机分布着一些白色颗粒、针孔和凹坑缺陷。 白色颗粒是由电弧离子镀沉积过程中产生的液滴飞 溅并黏附在涂层表面所致。大颗粒的产生会严重影 响涂层表面质量,可通过阻挡屏蔽装置、电场抑制、 调整工艺参数等方法来减少甚至完全消除[19]。针 孔和凹坑主要是因为液滴飞溅造成的阴影效应和涂 层竞相生长所致[20-21]。涂层表面所呈现的条带状 形貌是 在 基 体 抛 光 过 程 中 形 成 的 划 痕。 相 比 于 120 ℃ 和 180 ℃ 下 制 备 的 涂 层,150 ℃ 下 制 备 的 CrN 涂层表面白色颗粒、针孔、大凹坑缺陷较少,表 面质量较好。

基体表面的平均表面粗糙度为0.1978μm。由 表2可以看出,在基体表面沉积 CrN 涂层后,其表面 粗糙度降低,且150℃下制备得到CrN涂层的表面粗 糙度最小。由图3可以看出,120℃下制备的 CrN 涂 层表面存在明显的大颗粒,150 ℃下制备的涂层表面 较平整,180 ℃下制备的涂层表面可观察到明显的 凹坑,与微观形貌的观察结果相吻合,进一步说明了 150 ℃下制备的 CrN 涂层具有较好的表面质量。

2.2 残余应力和硬度

基体的硬度为340.76HV,沉积温度为120,150, 180 ℃时,涂层的平均硬度分别为561.11,754.29, 734.14HV。可知 CrN 涂层可有效提高基体表面硬 度,并且随着沉积温度的升高,涂层的硬度呈先升高 后降低的趋势,150℃下制备得到CrN涂层的硬度最 高。随着沉积温度的升高,粒子轰击能量增大,涂层 更加致密,涂层的硬度提高;但当温度过高时,粒子运 动加剧,涂层中凹坑等缺陷增多,硬度略微降低[22]。 残余应力包括涂层与基体热膨胀系数差异引起的热 应力以及沉积过程中缺陷产生所引起的生长应力。 沉积温度为120,150,180℃时,涂层中的残余应力分 别为-140,-262,-206MPa。可知残余应力均为压 应力,且残余压应力的变化趋势与硬度一致,当沉积 温度为150℃时,残余压应力达到最大值。

2.3 摩擦磨损性能

由图4可以看出:在试验时间 0~10 min内, 120 ℃下制备得到的 CrN 涂层摩擦因数较低,平均 值为0.1842,随着时间的延长,摩擦因数增大,且波 动较大,在试验时间10~30min内的平均摩擦因数 为0.2537;150 ℃下制备得到的 CrN 涂层在整个 试 验过程中的摩擦因数波动较小,平均摩擦因数为 0.2517;180 ℃下制备的涂层在整个摩擦过程中的 摩擦因数较大,波动较小,平均值为0.4264。摩擦 因数的大小与表面质量有关,表面缺陷越多,表面粗 糙度越大,摩擦因数越大,150 ℃制备的涂层表面缺 陷最少,表面粗糙度最低,此时摩擦因数最低。由图5可以看出,120 ℃下制备得到的 CrN 涂 层在试验30min后,其磨损表面出现大量凹坑和划 痕;位置1与位置2处表面碳、氧和铁含量较多,远 多于基体中各元素含量,铬元素含量较低,且位置2 处出现硅元素和钼元素,说明摩擦环已磨穿涂层并 开始磨损基体,此时涂层发生了磨粒磨损、氧化磨损 和 黏 着 磨 损 。由 图6可 以 看 出 :150℃ 下 制 备 得 到的 CrN 涂层经过30 min试验后,其磨损表面出现 犁沟;位置3 和 位 置 4 处 的 铁 元 素 和 碳 元 素 含 量 较多,同时出现了少量锰元素,说明涂层发生了磨 粒磨损和黏着磨损,但未出现氧元素,说明涂层未 发生氧化磨损。由图7可以看出,180 ℃下制备涂 层的磨损表 面 存 在 犁 沟,位 置 5 和 位 置 6 处 的 氧 元素和铁元 素 含 量 远 超 过 基 体 中 各 元 素 含 量,位 置5处未出现铬元素,且位置6处出现锰元素,说 明涂层已被磨穿,此时发生了磨粒磨损、氧化磨损 和黏着磨损

3 结 论

(1)采用电弧离子镀技术在20CrMnTi渗碳钢 表面制备得到的 CrN 涂层由 CrN 相和 Cr2N 相组 成;随沉积温度的升高,涂层厚度增加,表面粗糙度 先减小后增大,150 ℃下沉积后的表面粗糙度最小, 为0.1012μm,涂层表面颗粒、针孔、凹坑缺陷少, 表面质量最好。 (2)CrN 涂层可有效提高20CrMnTi渗碳钢表 面硬度,随沉积温度的升高,硬度先升高后降低,残 余应力均为压应力,且残余压应力随沉积温度的变 化趋势与硬度一致,150 ℃下制备得到涂层的硬度 和残余压应力最高,分别为754.29HV,262MPa。 (3)150 ℃ 下 制 备 的 涂 层 的 平 均 摩 擦 因 数 最 小,为0.2517,此时涂层的主要磨损机制为磨粒磨 损和黏着磨损,而 120 ℃ 和 180 ℃ 下 制 备 得 到 的 CrN 涂层还发生了氧化磨损。

来源：材料与测试网