N2流量對多弧離子鍍ZrTiN涂層性能的影響*

陳 振 鄧建新 顏 培 連云松

(山東大學機械工程學院，山東濟南250061)

隨著高速高精密加工中心日益普及，高效潔凈加工成為未來機加工的發展趨勢，進而對刀具材料和刀具切削性能提出更高的要求。自上世紀70年代以來，物理氣相沉積技術逐漸成熟，并被廣泛應用于切削刀具、耐磨耐腐蝕零件以及各種醫用器具的表面改性［1-3］。TiN涂層刀具由于具有高硬度和小摩擦系數等優良性能，最早應用于各類加工場合當中，ZrN涂層刀具在切削淬硬鋼等難加工材料時表現出更好的低溫、低磨損率等切削性能［4］，ZrTiN涂層刀具的出現，表現出比單一TiN、ZrN涂層刀具更優越的物理性能。

高玉周等人［5］采用電弧離子鍍方法，通過分別控制獨立的Ti靶和Zr靶電流，在高速鋼基體上制備了不同成分配比的(Ti，Zr)N涂層，研究了涂層的晶向結構和硬度，同時探討了(Ti，Zr)N涂層的宏觀殘余應力、顯微硬度之間的關系及微觀機制。E W Niu等人［6］采用陰極真空電弧技術在不同基體偏壓下沉積(Ti，Zr)N涂層，研究了基體偏壓對涂層硬度、結合力的影響。

本文采用離子束轟擊輔助多弧離子鍍工藝，借助電弧離子鍍離化率高、繞鍍性好，鍍膜速率高等特點，通過離子轟擊獲得較優的層基結合力、薄膜表面粗糙度和致密度，有效抑制柱狀晶生長，進而獲得更好的涂層結構［7］。影響涂層性能的工藝參數包括鈦鋯靶電流、基體偏壓、沉積溫度、N2流量等，其中N2流量對涂層成分、硬度、結合力影響顯著。本文通過改變N2流量，固定其他工藝參數不變的單因素試驗法研究了不同N2流量下涂層的表面形貌和各項物理性能。

1 實驗

基體材料為YT15硬質合金刀具，首先對試樣表面采用碳化硼粉末研磨，并用金剛石研磨膏拋光至鏡面，其表面粗糙度Ra大約為0.05 μm，然后用無水乙醇和丙酮各超聲清洗15 min，清洗后將試樣吹干，并迅速放入鍍膜真空室進行涂層。

圖1是多功能PVD鍍膜機的結構簡圖，在真空室內放置了一對電弧靶(其中包括一個Zr靶和一個Ti靶)，刀具基體放置于托盤上，托盤安裝在自轉架上，公轉架帶動自轉架旋轉，兩個離子源頂置于真空室上壁。

涂層沉積過程如下:(1)將真空室抽真空至7.3×10-3Pa，并加熱到設定溫度200℃保溫30 min;(2)保溫結束后將偏壓調至-800 V，占空比0.2，在1.5 Pa的氬氣條件下，對基體表面進行輝光清洗，除去表面的殘余雜質和吸附氣體;(3)將工作氣壓調至0.45 Pa，開Ti靶電流為60 A，沉積一層大約0.2 μm的Ti過渡層，然后開Zr靶電流為110 A，并將Ti靶電流調至70 A，在Ti層上繼續沉積一層厚度大約為 0.3 μm的Ti/Zr合金層;(4)通入N2，沉積ZrTiN涂層。該涂層結構設計包括兩層過渡層，以緩解不同材料由于不同熱脹系數、泊松比等因素造成的殘余應力過大，并能有效提高層基間結合力。其涂層結構如圖2。

采用VeccoNT9300白光干涉儀觀察涂層表面形貌，測量涂層表面粗糙度;采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析ZrTiN涂層的截面形貌，利用MRT-4000多功能材料表面性能試驗儀測試涂層的厚度及涂層與基體之間的結合力;在MH-6顯微硬度計上測試涂層的顯微硬度，所得實驗結果皆為3次實驗數據的平均值。實驗時，保持沉積溫度為200℃，Zr靶電流為110 A，Ti靶電流為70 A，基體負偏壓-200 V等參數值不變，將N2流量分別調為80、100、120、140、160 mL/min，鍍膜時間為65 min，得到不同N2流量下的ZrTiN涂層，研究分析N2流量對涂層表面形貌、硬度以及結合力等性能的影響。

2 實驗結果與討論

2.1 涂層表面和斷面形貌

圖3是不同N2流量下涂層表面的微觀形貌圖，從中可以看出各N2流量下的涂層表面均有微小缺陷，N2流量為100 mL/min時出現了小片的剝落，同時其粗糙度值最大(見圖4)，最大達到61.35 nm，原因可能是涂層局部殘余應力過大，涂層內部微細裂紋擴展交叉致使涂層出現片狀剝落。N2流量較小時，各種粒子碰撞機會減小，能量損失不多，所以在基體偏壓下對刀具基體產生強烈的轟擊效應，甚至使刀具基體出現嚴重的刻蝕，缺陷增多，進而在涂層表面表現出一定復映現象。N2流量為140 mL/min時，涂層表面均勻，無較大的熔滴出現。N2流量繼續增大，涂層表面出現較多顆粒狀凸起，原因是隨著N2流量的增大使得真空室內的氣壓增高，等離子體內部撞擊機會增多，而各種粒子能量下降，許多較大熔滴未經碰撞便沉積到基體表面，并對新沉積的粒子團產生屏蔽作用，使得涂層表面高低不平，粗糙度值變大。

對涂層截面拍攝SEM觀察截面形貌，如圖5a所示為涂層截面形貌圖，涂層厚度在2 μm左右，端面質地致密，厚度均勻，與基體結合良好。采用白光干涉儀拍攝預制層基過渡帶，如圖5b可見層基層次分明，涂層截面前端有部分高峰，原因是涂層沉積時粒子團在斷面邊緣堆積所致。

2.2 涂層硬度和結合力

圖6是不同N2流量下涂層硬度和層基結合力的變化情況。由于 Ti、Zr原子半徑相差較大，二者在形成ZrTiN固溶體體時產生嚴重的晶格畸變和晶界滑移硬化，ZrTiN涂層硬度明顯高于 TiN、ZrN涂層［5，8］，在 N2流量達到 120 mL/min時，涂層硬度最高達到3 050 HV0.05。從圖中可以看出當N2流量較小時涂層硬度相對較低，分析原因是N2流量較小時，N2離子與Ti、Zr離子結合率低，未能進行充分反應，涂層中含有較大比例的金屬合金成分，從而降低了涂層硬度;另外涂層微觀組成以金屬原子團堆積為主，原子間吸引力占主導作用，結合力也較小。隨著N2流量的增大，涂層硬度和層基間結合力逐漸增大，在N2流量達到140 mL/min時，層基結合力達到最大為81.4 N。當N2流量繼續增大時，真空室內氣壓增高，各種離子、原子以及電子的自由程明顯縮短，沉積到基體上的原子團能量減小，造成涂層質地不致密、結構疏松、缺陷增多，導致涂層硬度下降，并減小了層基結合力。

2.3 涂層沉積速率

圖7是涂層沉積速率隨N2流量變化的趨勢圖，當N2流量較小時，各種粒子自由程較長，能量較大，對沉積到基體表面的涂層產生濺射作用，減小了實際有效的沉積層厚度。隨著N2流量的增大，Ti、Zr離子與N2離子達到一定濃度，真空室內部各種離子結合率高，涂層沉積速率加快，N2流量繼續增大，各粒子自由程縮短，進而延遲了粒子團到達基體的時間，沉積速率隨之下降。

3 結語

(1)采用離子束轟擊輔助多弧離子鍍鍍膜法在硬質合金YT15基體上涂鍍出質地致密、厚度均勻、表面比較光滑的ZrTiN涂層。

(2)在N2流量為140 mL/min時，涂層表面質量最好，且涂層硬度和結合力的綜合性能在該流量下最佳。

(3)沉積速率與N2流量關系密切，確定了在N2流量為120 mL/min時，沉積速率最快，達到24.6 nm/min。

［1］BALACEANUM，etal.Characterization ofZr-basedhardcoatingsfor medical implant applications［J］.Surface and Coatings Technology，2010，204(12/13):2046-2050.

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［3］鮮曉斌，王慶富，等.陰極電弧離子沉積TiN/Ti鍍層腐蝕特性［J］.稀有金屬材料與工程，2005，34(11):1774-1777.

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［5］高玉周，等.(Ti，Zr)N復合薄膜的微觀結構及性能［J］.大連海事大學學報，2002，28(2):81-84.

［6］NIU L L E W ，et al.Characterization of Ti– Zr– N films deposited by cathodic vacuum arc with different substrate bias［J］.Applied Surface Science，2007，254(13):3909 –3914.

［7］唐偉忠.薄膜材料制備原理、技術及應用［M］.北京:冶金工業出版社，1998.

［8］LIN Yu-Wei，HUANG Jia-Hong，YU Ge-Ping.Effect of nitrogen flow rate on properties of nanostructured TiZrN thin films produced by radio frequency magnetron sputtering［J］.Thin Solid Films，2010，518(24):7308-7311.