沉積氣壓對氮化釩(VN)涂層微結構及其性能的影響*

劉怡飛 包改磊 李助軍 李 磊 羅錫才 田燦鑫

(1.廣州鐵路職業技術學院機電工程學院 廣東廣州 510430 ；2.華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心 廣東廣州 510640；3.嶺南師范學院物理科學與技術學院 廣東湛江 524048)

隨著現代加工制造技術的發展，傳統的硬質合金和高速鋼刀具難以滿足現代切削技術的要求，從而限制其在加工領域的應用。涂層刀具是應市場需求發展起來刀具新產品，具有優良的綜合力學性能，機械加工效率及其使用壽命大幅度提高[1-2]。

離子鍍是在真空蒸發鍍膜和磁控濺射鍍膜技術基礎上發展起來的物理氣相沉積技術,具有沉積速率快、溫度低、制備膜層結構致密、純度高等優點。多弧離子鍍是基于冷陰極弧光放電基礎上發展起來的一種離子鍍膜技術，離化率高，沉積速率快，得到廣泛應用[3-5]。

氮化釩(VN)為面心立方結構，硬度低，但具有自潤滑特性，且具有耐磨性好、化學穩定性、熱穩定性和較低的電阻率等特性，屬于高硬度陶瓷材料，常用于涂層材料來改進刀具表面耐磨性能，提高刀具使用壽命，引起了廣泛的關注[6-7]。許蓓蓓等[8]利用陰極電弧離子鍍制備VN涂層，研究了不同載荷下涂層的摩擦磨損行為，發現因VN涂層韌性不足、抗塑性變形能力弱等原因，隨載荷增加其磨損率增大。FATEH 等[9]采用磁控濺射制備了 VN 涂層，發現在高溫環境下VN涂層的摩擦因數由常溫的0.45降低到0.25。MU 等[10]采用碳摻雜來改善VN涂層的高溫摩擦學性能，發現高溫下涂層的摩擦因數急劇下降，VN涂層硬度為20 GPa，耐磨性不足。

不同的沉積方法、不同的工藝參數所制備出的VN涂層結構、性能差異較大。目前，多弧離子鍍低溫度制備VN涂層的研究報道較少，沉積工藝對多弧離子鍍VN涂層的微觀結構及其性能影響的研究尚不夠深入。本文作者采用多弧離子鍍技術，在YT15硬質合金刀片上制備VN涂層，系統研究N2氣壓對VN涂層結構、力學以摩擦性能的影響，為VN涂層的工藝開發提供理論依據。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試驗采用13 mm×13 mm×3.5 mm的YT15硬質合金刀片作為襯底，鍍膜前先對硬質合金刀片進行拋光，清洗干凈后裝爐。將基底加熱到450 ℃并保溫2 h，當真空度達到8×10-3Pa時，在2 Pa Ar氣壓和-800 V偏壓下，對基底進行30 min輝光清洗；然后再用陽極層用離子源對基底進行30 min離子刻蝕；最后在鍍膜前用V金屬離子轟擊10 min，以增強涂層與基體結合力。使用北京丹普自動控制離子鍍膜機鍍膜，鍍膜完畢后降溫取出試樣。工藝參數如表1所示。

表1 VN涂層的沉積工藝參數

1.2 表征與分析

通過X射線衍射儀(XRD)及X射線光電子能譜儀(XPS)測定涂層的微結構及結合能，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測涂層的表面形貌。采用MH-500D維氏硬度計測量VN涂層的硬度，試驗載荷0.5 N，隨機測量10個點并取平均值。通過劃痕儀測試涂層的膜基結合力，根據摩擦力曲線斜率變化來判定膜基結合的臨界載荷Lc，每個樣品隨機測3次取平均值，劃痕長度5 mm，壓載為0～100 N逐漸加載。室溫下通過UMT-Tribo Lab摩擦磨損試驗機測試VN涂層的摩擦因數，對摩材料為Si3N4陶瓷球，直徑為6 mm。試驗參數為：載荷5 N，球盤轉速0.05 m/s，對摩時間30 min。

2 結果與討論

2.1 涂層的晶體結構

圖1所示為不同N2氣壓下所制備的VN涂層的XRD圖譜。圖譜中出現了TiC與Co的基底峰和涂層的衍射峰，基底峰的出現可能是因為涂層較薄X射線能夠直接穿過涂層到達基體硬質合金表面所致。圖譜中還出現了較小的V2N取向為(111)的衍射峰。在VN的衍射峰中，有(111)、(200)、(220)3種取向，其中(200)晶面的峰值最強。隨著沉積氣壓的增大，VN涂層各晶面的峰值逐漸增強，并且沒有其他雜質峰的出現，表明所制備的VN涂層純度較高[11-12]。

圖1 不同沉積氣壓下VN涂層的GIXRD圖譜

為了進一步確定涂層中V原子的化學鍵結合形式，對不同沉積氣壓下制備的VN涂層進行XPS檢測，經過XPSPEAK擬合后的圖譜如圖2所示。圖中V元素的結合能在504 eV與525 eV之間，2個V元素的2p3峰分別位于513.7 eV和516.7 eV，通過對比XPS電子結合能譜數據庫，結合能為513.7 eV對應于VN相的結合能，結合能為516.7 eV對應于V2O5的結合能。綜合GIXRD衍射峰變化，隨著沉積氣壓的逐漸增大，VN涂層中V元素主要以VN相存在，有少量的V2N和V2O5存在[13-14]。

圖2 不同沉積氣壓下VN涂層中V元素的XPS能譜

2.2 涂層的表面形貌

圖3所示為不同N2氣壓下VN涂層的表面形貌。可知，隨著沉積氣壓的增大，大顆粒及凹坑數量有一定程度的減少，但大顆粒依然存在，大顆粒尺寸約7 μm。據文獻報道，由多弧離子鍍膜靶材表面飛濺出來的金屬熔滴帶負電[15]。隨著沉積氣壓增加，金屬液滴所帶的負電增多，受負偏壓的排斥阻力增大，到達基體表面的液滴數量減少，使涂層的表面形貌趨于平整。同時沉積過程中靶材“中毒”現象加劇[16-18]，也遏制了大顆粒從靶材濺出，因此涂層表面大顆粒及凹坑減少并逐漸趨于平整。

圖3 不同沉積氣壓下VN涂層表面SEM圖

2.3 顯微硬度及膜層厚度

圖4所示為不同沉積氣壓下制備的VN涂層截面形貌。可以看出，在不同沉積氣壓下，獲得的涂層厚度差異較大，最厚為1.8 μm，最薄1.1 μm。圖5所示為不同N2氣壓下制備的VN涂層的厚度與顯微硬度變化曲線。可見，涂層的顯微硬度隨著N2氣壓增大先增大后減小。當沉積氣壓從0.5 Pa增大到1.0 Pa時，膜層厚度有一定的減小，顯微硬度增大。這是由于隨著氣壓升高，真空腔體內等離子體密度增大，離子對涂層表面的平均轟擊作用增強，導致膜層更致密，因此涂層的厚度有一定減小，顯微硬度卻有一定的增大，達到最大值HV2 284。但隨著N2氣壓的進一步升高，真空腔體內等離子體進一步增多，參與成膜粒子與氣體離子碰撞加劇，運動過程中能量損失增大，對涂層表面轟擊能量減弱，影響涂層致密度，膜層組織疏松，厚度雖增大，但顯微硬度下降。當沉積氣壓為2.0 Pa時，隨著碰撞加劇，能夠運動到基體表面參與成膜的粒子有所減少，且這些離子在運動過程中能量損失更大，對涂層表面轟擊能量進一步減弱，因此涂層厚度與顯微硬度均出現明顯的下降趨勢。

圖4 不同N2氣壓下VN涂層的截面形貌

圖5 不同沉積氣壓下VN涂層的顯微硬度和膜層厚度

2.4 膜基結合力

圖6所示為不同沉積氣壓下制備的VN涂層與基體的結合力。不同N2氣壓下制備涂層的膜基結合力變化如圖7所示。隨著沉積N2氣壓增大，膜基結合力呈現先增大后減小的趨勢。其原因可能是因為隨著氣壓升高，離子數量增多，離子的轟擊作用增強，膜層致密性提高，因此膜基結合力有一定的提高；但隨著沉積N2氣壓的進一步升高，膜材粒子與氣體離子碰撞加劇，能量損失較大，對基體及涂層表面轟擊能量減弱，膜層致密性減弱，因此膜基結合力出現明顯下降趨勢。

圖7 不同沉積N2氣壓下VN涂層膜基結合力

2.5 摩擦因數

圖8為不同沉積N2氣壓下制備VN涂層的摩擦因數曲線。可見，基體的平均摩擦因數為0.95，各涂層的摩擦因數相對于基體有所減小，其中沉積N2氣壓為2.0 Pa時摩擦因數下降最為明顯。

圖9所示為VN涂層平均摩擦因數隨沉積氣壓變化曲線。可知，隨著沉積氣壓增大，涂層平均摩擦因數先增大，在沉積氣壓為1.5 Pa時平均摩擦因數達到最大值0.9；當沉積氣壓進一步增大時，平均摩擦因數降低，到沉積氣壓為2.0 Pa時，摩擦因數降低到0.78。

摩擦因數與涂層的表面形貌、組織結構、硬度、結合力等有較大關系[19]。不同階段摩擦因數的主要影響因素不同，沉積氣壓從0.5 Pa增大到1.0 Pa時制備的涂層的平均摩擦因數沒有明顯變化，可能是由于兩者表面形貌沒有較大區別，且膜層致密性與膜基結合力相差不大；當沉積氣壓增大到1.5 Pa時膜層硬度相對減小，且膜層致密度相對下降，摩擦因數達到最大值；當沉積氣壓進一步增大到2.0 Pa時，摩擦因數出現明顯下降，這一過程與涂層表面顆粒及凹坑較少有關(如圖3所示，在沉積氣壓2.0 Pa下制備的涂層表面質量更優)，與涂層晶相結構有關(如圖1所示，在沉積氣壓2.0 Pa下制備的涂層以VN相為主)。FALLQVIST和OLSSON[20]采用電弧蒸發制備的VN基涂層中，也觀察到類似的現象。

圖8 基體和不同沉積N2氣壓下VN涂層摩擦因數

圖9 VN涂層平均摩擦因數隨沉積氣壓變化曲線

3 結論

(1)采用多弧離子鍍技術制備VN涂層呈晶態，以VN相為主，隨著沉積氣壓增大，VN涂層以(200)晶面擇優形成。隨著沉積氣壓的增大，其表面大顆粒及凹坑有一定程度的減少，涂層表面平整度提高。

(2)隨著沉積氣壓增大，VN涂層的顯微硬度、膜基結合力均呈現先升高再降低的趨勢，均在沉積氣壓為1.0 Pa時達到最大值，分別為HV2 284和44 N。

(3)N2氣壓對VN涂層摩擦因數影響較大，在2 Pa N2氣壓下制備的涂層摩擦因數波動較小，摩擦因數平均值為0.8。