1　前言

　　多弧離子鍍TiN涂層具有摩擦系數(shù)小珠闰、硬度高讳汇、耐磨藐檀、耐蝕、耐氧化等一系列優(yōu)點(diǎn)贫巴，并廣泛用于高速鋼刀具厦嘹，但在其他材料方面的應(yīng)用較少。本文選擇 W6Mo5Cr4V2炕婶、3Cr2W8V和GCr15三種材料用多弧離子鍍?cè)O(shè)備在其上沉積TiN涂層姐赡，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定TiN涂層的表面硬度、過(guò)渡層硬度古话、 TiN涂層的擇優(yōu)取向以及TiN涂層與基體的結(jié)合力雏吭，揭示了用多弧離子鍍?cè)O(shè)備沉積TiN涂層時(shí)選擇基體材料的原則。

2　試驗(yàn)方法

2.1　試驗(yàn)用基體材料的化學(xué)成分
　　試驗(yàn)用基體材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1陪踩。

表1　試驗(yàn)用基體材料的化學(xué)成分

鋼　號(hào) 化　　學(xué)　　成　　分　%
C Si Mn Cr W Mo V P S
W6Mo5Cr4V2 0.82 0.4 0.4 4.10 6.35 4.80 2.10 0.025 0.03
3Cr2W8V 0.35 0.34 0.4 2.40 8.30 　 0.35 0.03 0.03
GCr15 0.99 0.30 0.35 1.35 　 　 0.025 0.02

2.2　實(shí)驗(yàn)用基體材料的熱處理工藝和硬度
　　實(shí)驗(yàn)采用W6Mo5Cr4V2、3Cr2W8V悉抵、GCr15三種材料肩狂。試樣尺寸為20mm×8mm。三種材料經(jīng)熱處理后硬度分別為64HRC姥饰、50HRC傻谁、61HRC。三種材料的熱處理工藝見(jiàn)表2列粪。

表2　三種材料的熱處理工藝

材　料 淬火溫度(℃) 回火溫度(℃) 回火時(shí)間(h) 回火次數(shù)
W6Mo5Cr4V2 1230 560 1.5 3
3Cr2W8V 1100 560 1.5 2
GCr15 840 180 3 1

2.3　多弧離子鍍TiN涂層工藝
　　多弧離子鍍是在美國(guó)VAC-TEC公司制造的ATC-500多弧離子鍍?cè)O(shè)備上進(jìn)行的审磁。
　　(1)鍍前清洗工藝：浸入粗清洗液，超聲激勵(lì)→氟利昂蒸汽浴→氟利昂浸浴→超聲SS-1浸浴-超聲自來(lái)水岂座，去離子水漂洗→氟利昂浸浴态蒂，脫水-氟利昂浸浴隅昌，脫去殘余活性劑。
　　(2)涂層處理工藝：抽真空→系統(tǒng)加熱(充入氬氣赤蚜，輝光放電)→離子轟擊→充入氨氣琼护，涂層(工作電流100A)-降溫出爐。
2.4　涂層性能測(cè)試
　　對(duì)涂覆后的TiN涂層進(jìn)行硬度測(cè)定屁爵、涂層結(jié)合力測(cè)試及X射線衍射分析菌熬。

3　試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1　涂層的顯微硬度、結(jié)合力及擇優(yōu)取向
　　TiN涂層的顯微硬度在國(guó)產(chǎn)71型顯微硬度計(jì)上測(cè)定晚神，由于涂層較薄(2～3μm)炊撕，根據(jù)資料［1］確定了顯微硬度測(cè)試載荷選用0.25N，作用時(shí)間為15s饮协。硬度測(cè)試為5點(diǎn)的有效平均值渐位。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　三種材料TiN涂層的性能比較

材　　料 表面硬度(HV0.025) 結(jié)合力(N)
W6Mo5Cr4V2 2100 75
3Cr2W8V 2000 40
GCr15 2000 32

　X射線衍射分析在D/MAX-RB轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀上進(jìn)行赏庙。TiN在(111)晶面有擇優(yōu)取向栋昙，其峰值由大到小排列順序?yàn)閃6Mo5Cr4V2、3Cr2W8V和GCr15鸯乃。
　　從表3可知鲸阻，三種材料TiN涂層硬度相近。因?yàn)門iN涂層本身具有高硬度缨睡，只要測(cè)試載荷 不大鸟悴，測(cè)試力不作用到基體上，則測(cè)量結(jié)果顯示的是TiN涂層本身的硬度奖年。因此三種材料對(duì)TiN涂層的硬度影響不大细诸。而三種材料TiN(111)的擇優(yōu)取向存在著差異。文獻(xiàn)［2］介紹TiN涂層出現(xiàn)擇優(yōu)取向的三步曲：(1)形核陋守；(2)競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)震贵；(3)穩(wěn)定生長(zhǎng)。我們認(rèn)為在TiN涂層的擇優(yōu)取向形成過(guò)程中合金元素V起著相當(dāng)重要的作用水评，尤其對(duì)競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)有重要影響猩系，因而使含V量高的材料在沉積TiN涂層時(shí)易出現(xiàn)TiN(111)擇優(yōu)取向。高速鋼基體表面與TiN涂層間界面在電鏡下已觀察到區(qū)域外延生長(zhǎng)［3］中燥。在W6Mo5Cr4V2基體中有約20%碳化物寇甸，其中MC型(主要為VC)碳化物與TiN有相同的晶體結(jié)構(gòu)，其點(diǎn)陣常數(shù)分別為4.16和4.24疗涉，外延生長(zhǎng)時(shí)錯(cuò)配度僅為1.6%稀渊。這樣小的錯(cuò)配度對(duì)競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)是非常有利的，因此含V量高的W6Mo5Cr4V2和 3Cr2W8V鋼都有明顯TiN(111)擇優(yōu)取向图漓。而具有強(qiáng)烈TiN(111)擇優(yōu)取向的TiN涂層結(jié)合力也高铐跷，這從表3中可看出媒龟。參考文獻(xiàn)［4，5］中也指出薄罕，具有強(qiáng)烈TiN(111)擇優(yōu)取向的涂層具有好的結(jié)合力揖们。
　　TiN涂層結(jié)合力的提高與界面性質(zhì)的改善也有關(guān)。涂層與基體可形成三種不同界面妆崇，即：共格結(jié)合界面捣潭、部分共格結(jié)合界面、無(wú)相互作用界面猜休。共格結(jié)合使涂層具有好的附著力军霸，無(wú)相互作用的界面則附著力很差。而合金元素對(duì)界面形成影響很大飞灰，尤其是合金元素V幻彪。對(duì)于高速鋼基體和TiN涂層界面的電鏡觀察揭示了區(qū)域的外延生長(zhǎng)。這樣一種生長(zhǎng)方式有利于減小內(nèi)應(yīng)力卵渴，有利于提高結(jié)合力慧域。透射電鏡研究表明［6］，其外延生長(zhǎng)方式有兩種：(100)TiN∥100VC浪读，(110)TiN∥110VC昔榴。
　　從三種材料成份可知，由于合金元素含量不同特別是V含量的差異碘橘，造成區(qū)域外延生長(zhǎng)的程度不同互订，使其界面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響到結(jié)合力痘拆。另外仰禽，合金元素也將影響過(guò)渡層形成及原子擴(kuò)散行為，如Ti纺蛆、N注入及擴(kuò)散對(duì)結(jié)合力也有影響吐葵。

3.2　TiN涂層過(guò)渡層中的硬度分布及影響
　　TiN涂層過(guò)渡層中的硬度分布曲線見(jiàn)圖。

三種材料TiN涂層過(guò)渡層中的硬度分布曲線

　　從圖中可見(jiàn)三種材料在距離表面20μm處的硬度相差很大犹撒，這和基體材料熱處理后硬度高低及在沉積TiN涂層時(shí)沉積溫度的高低有很大關(guān)系折联。多弧離子鍍?cè)O(shè)備沉積TiN涂層時(shí)的沉積溫度在450～500℃范圍內(nèi)，這個(gè)溫度下沉積涂層時(shí)對(duì)于基體材料的抗回火穩(wěn)定性的要求是比較高的栈站。對(duì)于高速鋼而言，雖然金相檢驗(yàn)表明沉積溫度在300℃以上時(shí)距離表面0.1mm以內(nèi)處有脫碳現(xiàn)象鲫畸，但基體硬度在所有沉積溫度下保持不變［7］歇刺。而GCr15確有較大下降。這和材料的化學(xué)成分不同即合金元素含量不同從而造成其抗回火穩(wěn)定性不同是大有關(guān)系的霜宙。含有較多合金元素的鋼可保證其抗回火穩(wěn)定性好章慌，在沉積溫度下保持較高硬度逼税。而在沉積TiN涂層時(shí)基體材料的硬度高能保證涂層與基體的結(jié)合力好。其原因是基體硬度高恳繁，對(duì)TiN有一個(gè)強(qiáng)的支撐作用惜选，使鍍層與基體結(jié)合好，這與大多數(shù)的研究結(jié)果一致擎骄。如基體硬度低且仔，則在載荷作用下，硬而薄的涂層易產(chǎn)生變形隔屠、開(kāi)裂以致導(dǎo)致剝落凹蜂，從而使結(jié)合力下降。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)阁危，硬度首先取決于材料中鍵的類型與特性玛痊，硬度高則內(nèi)聚能大、鍵較短狂打。而鍍層與基體的結(jié)合力擂煞，可理解為單位面積上不使鍍層金屬與基體金屬在界面上相分離的最大作用力。這種作用力主要來(lái)自于金屬鍵的作用趴乡。金屬鍵合是鍍層基體材料結(jié)合中最主要的力对省。不僅鍍層與基體材料在彼此的界面處是靠這種力結(jié)合，而且在鍍層增厚過(guò)程中金屬晶格的長(zhǎng)大也是靠這種力結(jié)合浙宜。由于基體的硬度不同官辽，其對(duì)TiN涂層的金屬鍵合力不同，硬度越高所施加的金屬鍵合力越大粟瞬，所以涂層與基體的結(jié)合力越好同仆。

4　結(jié)論

　　(1)三種材料TiN涂層的表面硬度相近，但結(jié)合力相差很大裙品。
　　(2)具有強(qiáng)烈TiN(111)擇優(yōu)取向的涂層結(jié)合力好俗批。
　　(3)在沉積溫度為450～500℃時(shí)能保持高硬度的材料，其TiN涂層結(jié)合力好斩憾。
　　(4)選擇基體材料時(shí)應(yīng)保證其在沉積溫度下具有高硬度式亥，同時(shí)含有一定量的合金元素尤其是V，這樣才能保證TiN涂層具有好的結(jié)合力淳习。

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