石墨靶和鈦靶共濺射制備的TiCN薄膜的結(jié)構(gòu)和性能

　　在氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚夥障峦ㄟ^共濺射石墨靶和鈦靶在M2高速鋼基體上制備TiCN薄膜，利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀分析TiCN薄膜的組織與結(jié)構(gòu)，采用納米壓痕儀檢測(cè)TiCN薄膜的硬度，同時(shí)采用壓痕法和劃痕法評(píng)價(jià)薄膜與基體的結(jié)合狀況，并對(duì)TiCN薄膜絲錐進(jìn)行切削試驗(yàn)，考察TiCN薄膜的耐用性。結(jié)果表明：TiCN薄膜中的C原子以固溶于TiN晶格形式存在，TiCN薄膜在(111)晶面的取向較TiN薄膜明顯減弱，TiCN薄膜的斷口為長(zhǎng)塊狀結(jié)構(gòu)，其橫向尺寸較TiN薄膜小，TiCN薄膜表面呈凹凸?fàn)�。TiCN薄膜與基體的結(jié)合力為40N左右，C原子在TiCN薄膜中具有固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，TiCN薄膜的硬度由TiN薄膜的20.3提高到33.4GPa。TiCN薄膜具有良好的減摩性能，攻絲40Cr材質(zhì)時(shí)TiCN薄膜絲錐的使用壽命較TiN薄膜絲錐和無涂層絲錐明顯提高。

　　當(dāng)代切削加工技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)刀具的材料和性能提出了更高的要求，干式、高速切削成為刀具切削發(fā)展的方向。在刀具表面沉積硬質(zhì)薄膜成為改善和提高刀具使用性能的可行途徑之一。TiN、TiC、TiCN 和TiAlN 硬質(zhì)薄膜是較早出現(xiàn)的幾種刀具表面保護(hù)層，也是目前在機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)仍廣泛應(yīng)用的防護(hù)薄膜。TiCN薄膜由于具有高的硬度和低的摩擦系數(shù)，其耐磨性非常好，因此被廣泛應(yīng)用于刀具、模具以及耐磨零件上。TiCN薄膜的制備方法主要為氣相沉積法，包括化學(xué)氣相沉積(CVD)法和物理氣相沉積(PVD)法。CVD法制備薄膜過程中爐內(nèi)溫度通常高于850℃，即使是中溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MT-CVD)，其工作溫度一般也在600℃左右，超出了鋼質(zhì)工模具及零件的回火溫度，因此該方法不適合在鋼質(zhì)基體上進(jìn)行涂層處理。PVD法制備薄膜的工作溫度一般在500℃以下，可以滿足鋼質(zhì)基體的涂層要求。

　　目前，PVD法大多采用CH4或C2H2作為C源制備TiCN薄膜，在制備過程中通過調(diào)節(jié)氣體流量比可獲得不同元素含量比例和不同性能的TiCN 薄膜。但這種方法存在的問題是，過量的碳源氣體會(huì)對(duì)鍍膜機(jī)爐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重污染，爐內(nèi)型壁殘留的碳疏松層在下次鍍膜時(shí)將發(fā)生釋放，干擾薄膜的沉積氣氛，對(duì)連續(xù)生產(chǎn)不利，在工業(yè)生產(chǎn)中常導(dǎo)致薄膜工件性能的不穩(wěn)定。

　　采用固體C源制備TiCN薄膜可以大大減小或避免對(duì)爐體的污染。反應(yīng)磁控濺射是PVD法的主要技術(shù)之一，該方法制備的涂層表面不存在大顆粒現(xiàn)象，涂層的表面質(zhì)量較好，可以在鋼質(zhì)基體上制備TiCN薄膜。Guojun Zhang等在氮?dú)馀c氬氣的混合氣氛下，利用濺射石墨靶和鈦靶的方法制備了TiCN薄膜，指出隨著石墨靶濺射功率的增大，沉積效率提高，在相同時(shí)間內(nèi)得到的薄膜總厚度和調(diào)制周期均增加；隨著濺射靶功率增大，TiCN薄膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，(111)和(220)晶面取向逐漸減弱，TiCN薄膜的硬度先增大后減小，最高硬度達(dá)40GPa以上；TiCN薄膜的摩擦系數(shù)隨著石墨靶濺射功率的增大而減少，最終保持在0.2左右。許俊華等通過磁控濺射技術(shù)采用固體碳源制備TiCN薄膜，該研究得出的石墨濺射靶功率對(duì)TiCN薄膜結(jié)構(gòu)和硬度的影響規(guī)律與石墨靶濺射電流基本一致。但真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為上述研究報(bào)道均未對(duì)TiCN薄膜的成分進(jìn)行檢測(cè)，不清楚采用固體碳源所制備的TiCN薄膜中的碳含量情況，也未對(duì)TiCN薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行分析。

　　文中采用四川大學(xué)研發(fā)的RZP-800中頻反應(yīng)磁控濺射鍍膜機(jī)，利用石墨靶作為碳源，代替CH4或C2H2，在氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚夥障峦ㄟ^共濺射石墨靶與鈦靶制備TiCN 薄膜，并對(duì)該制備方法下獲得的TiCN薄膜的成分、結(jié)構(gòu)、硬度和結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了分析和研究，同時(shí)考察了通過該方法在高速鋼絲錐表面沉積的TiCN薄膜的實(shí)際應(yīng)用情況。

　　1、實(shí)驗(yàn)方法

　　1.1、材料與薄膜制備工藝

　　選用M2高速鋼作為基體材料，試樣大小為6mm×6mm×10mm，并準(zhǔn)備相同材質(zhì)的Φ10mm規(guī)格的絲錐數(shù)支，用于切削試驗(yàn)。濺射靶材為鈦金屬靶(純度99.99%)和石墨靶(純度99.99%)各1對(duì)，兩種靶材(4個(gè)靶)交替均勻布置在鍍膜室內(nèi)壁。鍍膜前對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，去除肉眼可見的宏觀劃痕，并拋光至鏡面，隨后將絲錐與試樣一起進(jìn)行噴砂處理，去除淺表層的污染，經(jīng)過超聲波清洗后吹干裝爐。抽真空至9.0×10^-3 Pa，對(duì)工件預(yù)熱60min，隨后在負(fù)偏壓下利用氬離子轟擊的效應(yīng)對(duì)基體刻蝕清洗30min。為改善薄膜與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，蒸發(fā)坩堝內(nèi)的Ti金屬塊在基體上沉積沉積一層Ti金屬過渡層。最后，在壓強(qiáng)為4.5×10^-1 Pa條件下，共濺射石墨靶和鈦靶制備TiCN薄膜，時(shí)間3h。鍍膜完畢后冷卻1h，取出試樣。

　　1.2、薄膜結(jié)構(gòu)與性能表征

　　采用S-4800(Hitachi，Japan)掃描電鏡(SEM)觀察TiCN薄膜的斷口組織和表面形貌，并用儀器附帶的X射線能譜儀(EDS)分析薄膜的元素含量。采用X′Pert Pro型(Philips，Holland)X 射線衍射(XRD)儀分析鍍層的物相組成和晶粒大小。采用Nano Indenter XP測(cè)試系統(tǒng)(Agilent，America)分析涂層的硬度和彈性模量。同時(shí)采用壓痕法和劃痕法評(píng)價(jià)薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，壓痕法采用HR-150A洛氏硬度計(jì)，載荷為150kg；劃痕法采用HH-3000型劃痕試驗(yàn)儀，終止載荷100N。采用Z5135型立式鉆床對(duì)絲錐進(jìn)行切削試驗(yàn)，鉆床主軸轉(zhuǎn)速為530r/min，被攻絲材料為40Cr調(diào)質(zhì)鋼，調(diào)質(zhì)后硬度為HRC29～32。

　　3、結(jié)論

　　采用固體碳源，通過反應(yīng)磁控濺射技術(shù)共濺射石墨靶和鈦靶在高速鋼基體上制備TiCN 薄膜，并對(duì)得到的TiCN 薄膜的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得到的結(jié)論如下：

　　(1)TiCN 薄膜的斷口呈垂直于界面方向生長(zhǎng)的長(zhǎng)塊狀結(jié)構(gòu)，TiCN 薄膜表面凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu)較TiN薄膜減弱，而TiCN 薄膜表面存在的微顆粒較多；TiCN薄膜形成以TiN 為基的固溶體，C原子的加入使薄膜在(111)晶面的衍射峰明顯降低。

　　(2)由于C原子的固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，TiCN薄膜的硬度較TiN 薄膜明顯提高，TiCN 薄膜的硬度為33.4GPa；通過Ti過渡層打底后，TiCN薄膜和TiN薄膜與M2高速鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度相差不大，均為40N左右。

　　(3)TiCN薄膜的磨損形式主要為磨粒磨損，摩擦磨損時(shí)在薄膜表面形成碳轉(zhuǎn)移膜，該膜起固體潤(rùn)滑和減摩作用，攻絲40Cr材質(zhì)時(shí)TiCN薄膜絲錐的使用壽命明顯提高，分別是無薄膜絲錐和TiN薄膜絲錐分別提高3倍和1.6倍。