Ti靶電流對CrTiAlN涂層摩擦磨損性能的影響

羅艷艷 施 雯 萬 紫

(1. 上海大學材料科學與工程學院，上海 200444； 2. 上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200120)

自20世紀80年代起，物理氣相沉積(physical vapor deposition, PVD)技術逐漸開發并應用于銑刀和鉆頭等切削刀具的涂層處理[1- 2]。TiN和CrN等二元硬質涂層能明顯提高刀具的硬度、熱穩定性和使用壽命。隨著涂層技術的應用逐漸成熟，涂層元素也日趨多樣化。Ding等[3]探究了Al含量對CrAlN涂層性能的影響，發現當Al/Cr原子比為0.5左右時，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CrAlN基涂層性能的影響，尤其是摩擦磨損性能。近年來，PVD技術在模具的工作表面強化處理中的應用也越來越多[6]。如Podgraj?ek等[7]研究了TiAlN涂層在CrMoV熱鍛模上的應用；Nilsson等[8]研究了(Ti,Al)N和CrN涂層在Ovatec 677拉絲模上的應用；Beake等[9]研究了AlCrN- TiAlN和AlTiN涂層在H13鋼熱作模上的應用。

當今，高強鋼板以及超高強鋼板因其可實現汽車輕量化、提高汽車安全性、降低油耗、減少污染等優點，逐漸應用于汽車車身制造[10- 11]。但其高的強度與成形力對冷作模具整體的強、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技術在冷作模具鋼表面沉積涂層可改善其性能。因此，本文針對冷沖高強鋼板及超高強鋼板模具，在前期研究的基礎上[14- 15]，利用非平衡磁控濺射技術在SDC99冷作模具鋼表面沉積CrTiAlN涂層，通過調控Ti靶電流來探究Ti含量對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以及提高沖裁模的使用壽命提供試驗和理論依據。

1 試驗材料與方法

試驗材料為SDC99冷作模具鋼[16]，其化學成見表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。測試力學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鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of SDC99 steel (mass fraction) %

采用DXP650/4閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備在試樣表面沉積CrTiAlN涂層。沉積步驟為：采用-500 V的偏壓對試樣進行離子濺射清洗，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%(質量分數)的Ar和N2，整個過程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等檢測涂層的厚度、成分和結構；采用維氏和洛氏表面硬度儀定性分析涂層的結合性能；采用原位納米力學測試系統測量納米硬度；采用銷盤摩擦磨損試驗機和MM- 200型磨損試驗機分別測定涂層的干摩擦和油摩擦磨損性能。

2 結果與討論

2.1 涂層的微結構與力學性能

以不同Ti靶電流制備的CrTiAlN涂層的化學成分、厚度和表面粗糙度如表2所示。可見，隨著Ti靶電流從0 A增加到8 A，Ti靶表面單位時間內的離化率增加，到達基體表面的離子數增加[17]，涂層中Ti元素的原子分數從0非線性增加到7.69%，Cr元素的原子分數從56.59%減少到41.36%，N元素的原子分數從39.28%增加到47.11%，Al元素的原子分數保持在4%左右。同理，單位時間內撞擊基體表面的粒子數增加，二次濺射效果增強，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。可見，在37°、44°和64°位置存在(111)、(200)和(220)3種不同強度的衍射峰，類似于面心立方結構的CrN涂層[18]，且在(200)方向上擇優取向。隨著Ti靶電流的增加，(111)衍射峰強度逐漸增加，峰位2θ向小角度偏移趨勢愈加明顯。衍射峰左移[19]主要是因為涂層中Ti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。可見，隨著Ti靶電流的增加，一方面固溶強化效果增強，另一方面離子對基體的轟擊作用增強，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(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，均未出現明顯的脆性剝落。但洛氏壓痕隨著試驗力的增大均出現了不同程度的剝落，其中3號涂層基本無剝落(見圖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(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涂層在穩定階段的干摩擦因數如表5所示。可見，隨著Ti靶電流的增加，涂層的平均干摩擦因數介于0.3～0.45之間，均低于基體的摩擦因數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，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，涂層的硬度及與基體的結合強度較低，摩擦因數和磨損率較高；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合強度提高，涂層的磨損面積減小，摩擦因數和磨損率降低至最小值；但當Ti靶電流進一步增加至6 A乃至8 A時，涂層的韌性及與基體的結合強度略有下降，涂層發生部分剝落，形成三體磨損，致使摩擦因數和磨損率增加。

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，隨著磨損時間的增加，涂層的磨損體積逐漸增大。當靶材電流較低(0、2 A)時，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，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間的增加先降低后升高。當Ti靶電流為0與2 A時，1號(0 A)和2號(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8.22×10-12和6.61×10-12mm3/(N·mm)；當Ti靶電流為4、6和8 A時，油磨14 h后3號(4 A)、4號(6 A)和5號(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(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號涂層油磨26 h后的SEM形貌如圖5所示。可見，磨損區主要由“犁溝”和“點坑”組成，且呈不規則區域磨損。如表6所示，犁溝處(A)成分(原子分數，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；磨損過渡區(B和C)除含9.72%Cr外，還有少量的Al和N，即涂層發生了部分磨損。另外，5號試樣磨損形貌與1號相似，3號試樣“犁溝”較1號輕，但“點坑”數量增加。可見，隨著Ti靶電流的增加，涂層的厚度與納米硬度逐漸增加，而韌性和結合強度先提高后降低，其中3號(ITi=4A)涂層的韌性和結合強度最佳，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(原子分數)Table 6 Compositions at positions A, B and C in Fig.5(atom fraction) %

3 結論

(1)隨著Ti靶電流的增加(0～8 A)，CrTiAlN涂層中Ti的原子分數從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，涂層的韌性及與基體的結合力最佳。

(2)干摩擦磨損條件下，隨著Ti靶電流的增加(0～8 A)，涂層的摩擦因數和磨損率先降低后升高，Ti靶電流為4 A時沉積的涂層具有最低的摩擦因數和磨損率，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，涂層的磨損體積和磨損率明顯降低，在Ti靶電流為4 A時，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果。