多弧離子鍍膜技術(shù)的應(yīng)用研究

牛寶林

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖241001）

多弧離子鍍膜技術(shù)的應(yīng)用研究

牛寶林

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖241001）

PVD技術(shù)中多弧離子鍍膜是用于涂鍍模具、刀具等硬質(zhì)耐磨涂層的主要方法，而納米復(fù)合鍍膜也是模具表面強(qiáng)化的新的研究方向。文章介紹了用多弧離子鍍膜技術(shù)在冷沖模具表面涂鍍納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜，提高其使用壽命的應(yīng)用研究成果。

物理氣相沉積；多弧離子涂鍍；納米復(fù)合膜；冷沖模

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要裝備。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對(duì)模具的質(zhì)量、特別是對(duì)模具的使用壽命提出了更高的要求。降低成本、提高壽命成為模具工業(yè)亟待解決的問(wèn)題。目前一些新技術(shù)，如表面涂層技術(shù)PVD、CVD以及TD覆層處理技術(shù)、激光表面強(qiáng)化技術(shù)和電子束強(qiáng)化技術(shù)等都發(fā)展很快，而且提高模具壽命的效果也比傳統(tǒng)的表面處理方法要好。

PVD技術(shù)主要有真空鍍膜、磁控濺射鍍膜、多弧離子鍍膜等方法。目前不僅可沉積金屬膜、合金膜、還可沉積化合物、陶瓷、半導(dǎo)體、聚合物膜等。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家比如美國(guó)德國(guó)日本等使用PVD涂層模具的比例已超過(guò)90%[1]。而和國(guó)外相比，我國(guó)對(duì)精密模具 （包括冷沖模）進(jìn)行鍍膜處理的只有40%到60%。因此，研究適合我國(guó)精密冷沖模具PVD涂層技術(shù)是有意義的。

我們的研究是利用多弧離子鍍 (Arc ion plating，AIP)技術(shù)在冷沖模沖頭上涂鍍納米復(fù)合Al-Ti(CN)膜，并對(duì)鍍膜工藝和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行總結(jié)。目前這一項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功的運(yùn)用到一些模具企業(yè)，取得了一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 多弧離子鍍工作原理及納米復(fù)合Al-TiCN膜的微觀結(jié)構(gòu)

在PVD技術(shù)中，和真空鍍膜、磁控濺射鍍膜方法相比較，在模具涂層技術(shù)方面多弧離子涂鍍應(yīng)用的更加廣泛一些。多弧離子涂鍍主要是借助惰性氣體如Ne、Ar等的輝光放電作用，使得靶材離化，在帶負(fù)電荷的工件表面形成薄膜。

1.1 多弧離子鍍膜工作原理

設(shè)備主要由電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。極限真空度為1×10-4Pa。控制系統(tǒng)是由PLC程序控制的工控機(jī)。電源主要是控制電源和偏壓電源。每個(gè)弧源靶由低電壓高電流的電弧源提供能量，電壓和電流都可調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)用離子鍍膜設(shè)備的工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 離子鍍膜機(jī)工作原理

我們實(shí)驗(yàn)使用的是工業(yè)AS700DTXBE型自動(dòng)控制離子鍍膜機(jī)，這種鍍膜機(jī)有12只陰極電弧離化源，能夠保證同時(shí)安裝3列純金屬或者合金的靶材。

多弧離子鍍是用多個(gè)陰極電弧使靶材蒸發(fā)的一種離子鍍膜技術(shù)。由塊狀或者粉末狀的材料做成的陰極接電源負(fù)極。鍍膜室接地為陽(yáng)極，電源電壓的工作區(qū)間是0-220 V，電源電流的工作區(qū)間是20-100 A。工件（模具）與腔體之間是負(fù)偏壓，其目的是提高入射粒子的速度，增加膜和基體（模具）表面的結(jié)合的牢固度。其取值為50-1000 V范圍內(nèi)。在10-3Pa真空度的真空條件下將真空電弧點(diǎn)燃，靶材表面會(huì)出現(xiàn)一些陰極弧斑，這些陰極弧斑是一些大小不一、形狀不同、不連續(xù)的明亮的微小斑點(diǎn)。這些弧斑在靶材表面迅速游動(dòng)，在一部分弧斑消失的同時(shí)另一部分弧斑又在其它部位迅速形成，弧斑的持續(xù)消失和持續(xù)形成維持了電弧的燃燒。引弧時(shí)，在接通電源的同時(shí)使引弧電極與靶材瞬間接觸又瞬間離開(kāi)，在離開(kāi)的瞬間，由于引弧電極和靶材間的導(dǎo)電面積迅速縮小，電阻增大，局部微小區(qū)域的溫度迅速升高，使靶材表面的局部微小區(qū)域溶化，產(chǎn)生等離子體。低壓大電流的電源維持弧光放電的持續(xù)進(jìn)行[2]。

陰極弧斑是微小面積上的高電流密度并且高速變化的電弧現(xiàn)象?；“叩某叽绶浅Ｎ⑿?，據(jù)相關(guān)資料測(cè)定為1～100μm。電流密度可達(dá)105-107A/cm2?；“叽嬖跁r(shí)間非常短，其連續(xù)性爆發(fā)性地生成蒸發(fā)了靶材離子和電子，由于電場(chǎng)的作用在陰極表面附近，金屬離子形成了空間電荷，又形成了新的弧斑產(chǎn)生條件，眾多的弧斑持續(xù)產(chǎn)生，保持了電弧總電流的穩(wěn)定。陰極弧斑的運(yùn)動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)速度受磁場(chǎng)控制。適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度可以使得靶材表面刻蝕均勻。

1.2 納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜的微觀結(jié)構(gòu)及Al對(duì)膜的性能影響

鍍膜是由兩種或者兩種以上成分或結(jié)構(gòu)不同的、垂直于薄膜一維方向交替生長(zhǎng)而形成的多層結(jié)構(gòu)。對(duì)于兩種不同結(jié)構(gòu)或成分的多層薄膜，每相鄰兩層形成一個(gè)單元，其厚度稱(chēng)為調(diào)制周期，通常將調(diào)制周期小于100nm的薄膜叫做納米復(fù)合薄膜。我們進(jìn)行鍍膜實(shí)驗(yàn)的調(diào)制周期為8nm。

在TiN中加入一定量的碳得到Ti(CN)膜，具有較高硬度、良好的膜基結(jié)合力，相對(duì)于TiN薄膜而言，表現(xiàn)出更低的摩擦系數(shù)和更好的耐磨性能[3]，但高溫性能不是很好。此前也有研究表明，加入Al元素可以顯著提高薄膜的抗氧化性能和熱穩(wěn)定性、熱疲勞性能[4]。我們發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中，沖頭由于連續(xù)工作，自身會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，影響薄膜的熱穩(wěn)定性和熱疲勞性能，所以我們添加Al元素來(lái)提高沖頭的熱穩(wěn)定性和熱疲勞壽命。

2 多弧離子鍍膜在冷沖模具上的應(yīng)用

冷沖壓生產(chǎn)中模具出現(xiàn)較多的是磨料磨損，粘著磨損、表面拉傷、劃痕等各種形式的表面損傷，所以對(duì)模具表面涂層的要求不但要有較高的硬度和極高的耐磨損性，而且還要和模具表面有很好的結(jié)合牢固度，同時(shí)要有良好的潤(rùn)滑性和較低的摩擦系數(shù)。目前在冷沖模上應(yīng)用比較多的鍍膜有TiN，CrN，TiCN，TiAlN等等。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的冷沖模沖頭上主要是涂鍍納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜。

2.1 鍍膜工藝參數(shù)

鍍膜的工藝參數(shù)主要有基體（工件）沉積溫度、反應(yīng)氣體壓強(qiáng)與流量、靶源電流、真空度、鍍膜時(shí)間等。我們對(duì)冷沖模的多弧離子鍍膜進(jìn)行了一系列的工藝對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終形成了比較穩(wěn)定的鍍膜工藝。主要的鍍膜工藝參數(shù)是：沉積溫度：450℃ 反應(yīng)氣體壓強(qiáng):0.2Pa,流量:80sccm；電流密度:105-107A/cm2； 電壓：220V真空度：4×10-3Pa鍍膜時(shí)間：2h。輔助氣體為氬氣，氮?dú)夂鸵胰?，純度?9.999%。

2.2 膜層性能測(cè)試

膜層的性能要求有很多，比如，膜的硬度、膜和基體的結(jié)合牢固度、摩擦性能、內(nèi)應(yīng)力、強(qiáng)度和韌性、抗氧化性和熱穩(wěn)定性等。

2.2.1 膜層硬度檢測(cè) 硬度是模具鍍膜的最重要的性能指標(biāo)之一，只有在較高硬度的條件下，鍍膜才能有效減小磨損，起到強(qiáng)化襯底表面的作用，從而大幅度提高模具的使用壽命。實(shí)驗(yàn)的硬度數(shù)據(jù)主要通過(guò)納米壓痕儀測(cè)試納米硬度，納米壓痕儀可以解決顯微硬度計(jì)對(duì)薄膜硬度測(cè)量誤差問(wèn)題。納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜是超硬鍍膜。從表1可以看出，納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜和傳統(tǒng)的TiN膜的硬度、熱穩(wěn)定性相比，都有明顯提高。

表1 各類(lèi)膜的硬度及熱穩(wěn)定性比較

2.2.2 膜層結(jié)合牢固度測(cè)試 膜和模具表面的結(jié)合牢固度也是鍍膜的非常重要的指標(biāo)。用洛氏(HRC)硬度測(cè)試的壓痕法分別對(duì)A1-Ti（CN）薄膜（試樣a）和TiN薄膜（試樣b）的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行定性測(cè)試。圖2為兩組樣品在洛氏硬度計(jì)150 Kg下加載，在50倍光學(xué)顯微鏡下觀察到的壓痕形貌圖。從圖中可以看出，兩組薄膜與壓痕邊緣相鄰的膜層均沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的剝落和損壞，表現(xiàn)出了較好的膜基結(jié)合性能。試樣b薄膜的壓痕周?chē)怀霈F(xiàn)了些輕微裂紋，而試樣a與試樣b相比結(jié)合牢固度沒(méi)有明顯變化。測(cè)試的結(jié)果和結(jié)合強(qiáng)度質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較得出的結(jié)論是兩者的結(jié)合性能都比較良好，也說(shuō)明了Al元素和C元素的加入，并沒(méi)有影響膜和基體的結(jié)合牢固度。這也說(shuō)明用多弧離子鍍涂鍍工藝由于其入射能量高、膜的致密度高、膜層有擴(kuò)散等特點(diǎn)使得膜與模具表面的結(jié)合牢固度比較高。這與球坑實(shí)驗(yàn)法結(jié)合金相顯微鏡觀察到的結(jié)果是一致的。

圖2 薄膜的洛氏壓痕形貌：(a)A1-Ti（CN）膜(b)TiN膜

2.2.3 膜層摩擦磨損實(shí)驗(yàn) 圖3是600℃摩擦磨損試驗(yàn)的SEM形貌圖。觀察室溫下的磨損形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)（a1）(A1-Ti（CN）膜)保持著良好的表面狀況，而(a2)（TiN膜）磨痕軌道上則出現(xiàn)了一些磨屑，這些磨屑勢(shì)必要增加摩擦系數(shù)。這個(gè)測(cè)試定性地說(shuō)明了加入C元素尤其是Al元素以后膜層耐高溫摩擦性能的提高。

圖3 高溫（600℃）摩擦性能測(cè)試（a1：A1-Ti（CN）膜)(a2：TiN膜）

2.2.4 膜層厚度檢測(cè) 膜層厚度用球坑法結(jié)合金相顯微鏡經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，約為3μm。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)鍍膜的是冷沖模的沖頭，沖壓的零件是空調(diào)的機(jī)架零件（厚度4.0mm的熱軋酸洗板SPHC），見(jiàn)圖4。由于被沖壓零件厚度比較厚，因此沖頭在工作過(guò)程中承受著很大的沖擊力和劇烈的摩擦，所以通常這種沖頭僅僅經(jīng)過(guò)淬火回火處理其使用壽命是不高的，這給鍍膜處理留下了比較大的發(fā)揮作用的空間。沖頭所用材料為SKD11，先經(jīng)過(guò)淬火回火處理，然后用多弧離子涂鍍納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜。在連續(xù)生產(chǎn)的條件下，經(jīng)過(guò)淬火回火再進(jìn)行鍍膜的沖頭和沒(méi)有鍍膜、只經(jīng)過(guò)淬火回火處理的沖頭進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)際工作時(shí)，這種冷沖模的沖頭主要的損壞形式還是摩擦造成的磨損，使其尺寸超差而導(dǎo)致其不能繼續(xù)使用。

表2 鍍Al-TiCN膜沖頭和無(wú)鍍膜沖頭壽命的比較

對(duì)比的生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是：沒(méi)有涂層的沖頭大約在沖制70000件左右的時(shí)候，沖頭頭部表面已經(jīng)拉傷，沖頭已經(jīng)不能保證被沖壓零件的孔徑尺寸，沖孔毛刺超差0.25mm以上，孔徑偏小0.1mm，不能滿足零件尺寸要求。而涂鍍納米復(fù)合Al-Ti(CN)膜的沖頭在同樣條件下沖制到110000件時(shí)，沖頭表面仍無(wú)明顯拉傷，只有輕微擦痕，沖頭還可以繼續(xù)使用，沖孔毛刺在0.1mm控制范圍內(nèi)。最后結(jié)果是涂鍍納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜的沖頭沖制機(jī)架零件達(dá)到130000件，由于磨損，尺寸超差而不能使用。涂鍍納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜的沖頭見(jiàn)圖5。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于沖壓比較厚的零件（厚度大于1mm）的冷沖模的沖頭來(lái)說(shuō)，鍍Al-Ti（CN）納米復(fù)合膜的沖頭比沒(méi)有鍍膜的沖頭平均壽命提高70-90%。具有明顯降低生產(chǎn)成本的效果。

圖4 機(jī)架零件

圖5 鍍膜沖頭

3 結(jié)論

用多弧離子鍍技術(shù)在冷沖壓沖頭表面涂鍍納米復(fù)合Al-Ti(CN）膜，由于其入射粒子能量高，膜層致密度高，強(qiáng)度和耐磨性好，形成了硬度、組織成分和結(jié)合力的有效匹配，取得了比較好的應(yīng)用效果。同時(shí)由于在復(fù)合膜層中加入了Al和C，提高了刀具的硬度、耐磨性、高溫硬度、抗氧化性等，更加適應(yīng)冷沖模具沖頭的工作條件。因此，冷沖模用多弧離子涂鍍納米復(fù)合Al-Ti（CN）膜這項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用空間和良好的發(fā)展前景。

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[責(zé)任編輯：桂傳友]

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1674-1102(2014)06-0052-03

10.13420/j.cnki.jczu.2014.06.015

2014-10-31

牛寶林（1957-），男，甘肅蘭州人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授，主要從事材料加工研究。