基体偏压对H13钢表面镀T...CrN薄膜结构和性能的影响_覃群.pdf

第 45 卷 第 4 期（总第 361 期）电 镀 与 精 饰2023 年4 月基体偏压对H13钢表面镀TiAlCrN薄膜结构和性能的影响覃 群，付泽钰，王天国*（湖北汽车工业学院 材料科学与工程学院，湖北 十堰 442002）摘要：为了提高H13模具钢的表面性能和使用寿命，采用多弧离子镀技术在H13模具钢表面制备TiAlCrN薄膜，研究了基体偏压对H13钢表面镀TiAlCrN薄膜结构和性能的影响。结果表明：不同偏压下制备的TiAlCrN涂层表面都有不同大小的颗粒，在偏压为100 V时，大颗粒数量最少且均匀细小，涂层表面质量较好。随着偏压增大，制备涂层的TiAlCrN（200）、TiAlCrN（220）衍射峰峰强减弱，TiAlCrN（111）面择优取向变强。随着偏压的增加，TiAlCrN涂层的硬度、结合力都呈先增大后减小趋势。在偏压为100 V时，有最大硬度值2650.5 HV，最大膜基结合力26 N。随着偏压增加，TiAlCrN涂层试样氧化增重率先减少再增加。在偏压为100 V时，氧化增重率最低，在此工艺参数下制备的TiAlCrN涂层高温抗氧化性能最佳。在偏压为100 V时，制备的TiAlCrN涂层有最小的腐蚀电流密度，耐腐蚀性能最佳。关键词：TiAlCrN薄膜；多弧离子镀；偏压；氧化；耐蚀性中图分类号：TG156.88文献标识码：AEffect of substrate bias on structure and properties of TiAlCrN thin films deposited on H13 steelQin Qun，Fu Zeyu，Wang Tianguo*（School of Materials Science and Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China）Abstract：In order to improve the surface properties and service life of H13 die steel，TiAlCrN film was prepared on H13 die steel by multi-arc ion plating technology.The effect of substrate bias on the structure and properties of TiAlCrN film deposited on H13 steel was studied.The results show that the TiAlCrN coating prepared under different bias pressures has particles of different sizes on the surface.When the bias voltage is 100 V，the number of large particles is the least，and the coating surface quality is good.With the increase of bias voltage，the diffraction peak intensity of TiAlCrN（200）and TiAlCrN（220）of the prepared coating decreases，and the preferred orientation of TiAlCrN（111）plane becomes stronger.With the increase of bias voltage，the hardness and adhesion of TiAlCrN coating first increase and then decrease.When the bias voltage is 100 V，the maximum hardness value is 2650.5 HV，and the maximum film-based adhesion force is 26 N.With the increase of bias voltage，the oxidation mass gain rate of TiAlCrN coating samples decreases first and then increases.When the bias voltage is 100 V，the oxidation mass gain rate is the lowest.The TiAlCrN coating prepared under this process parameter has the best oxidation resistance at high temperature.When the bias voltage is doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2023.04.004 收稿日期：2023-01-31 修回日期：2023-02-26 作者简介：覃群（1981），女，硕士，副教授，email： *通信作者：王天国（1978），男，博士，教授，email： 基金项目：湖北省教育厅科学技术项目（Q20181802）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（T201811）19Vol.45 No.4 Serial No.361Plating and FinishingApr.2023100 V，the prepared TiAlCrN coating has the lowest corrosion current density and the best corrosion resistance.Keywords：TiAlCrN film；multi-arc ion plating；bias voltage；oxidation；corrosion resistanceH13模具钢作为热作模具钢，具有较高的硬度、较好的耐磨性能及良好的耐热疲劳性能，被广泛应用于制造冲击载荷大的锻模、压铸模、热挤压模。H13模具钢由于在工作时承受较大的载荷、强烈的摩擦以及高温氧化，常发生磨损、断裂等失效情况。已有研究表明：可以通过表面技术来提升模具表面性能。目前工业上常采用表面淬火、碳氮共渗、离子氮化等表面技术来提高H13模具钢表面性能，然而这些技术也存在着表层硬度提高不足，热疲劳性能较低、表面成分不均匀等问题1-5。目前物理气相沉积技术也在模具材料表面处理方面得到了广泛应用，该技术以各种物理的方法在模具基体表面沉积多种硬质薄膜，从而提高模具表面性能。物理气相沉积技术处理温度比较低，模具表面处理后变形小，特别是精度要求高的模具只能采用物理气相沉积技术处理。多弧离子镀技术作为一种物理气相沉积技术，具有离化率高、沉积速率快、薄膜致密度高等优点在多种工业领域中得到广泛应用。金属氮化物薄膜TiAlN具有高硬度、高耐磨性、强抗氧化性能及优良的韧性，已在刀具和模具等领域中得到广泛应用。但是TiAlN薄膜在高温下硬度和耐磨性较低，限制了其应用6。TiAlCrN薄膜是在TiAlN薄膜中加入Cr元素形成的四元硬质薄膜，具有较高的硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性7-9。研究发现，TiAlCrN涂层相较于CrAlN涂层和TiAlN涂层有着更优异的抗高温氧化性能10。TiAlCrN涂层氧化时可以生成一层由Ti、Al、Cr组成的致密氧化物层，可以阻止氧向基体内部扩散11。周昆凤等12在高速钢表面使用多弧离子镀技术制备 TiAlCrN 涂层，研 究 发 现 TiAlCrN 涂 层 硬 度 可 以 达 到 约3100 HV，约为高速钢基体的4倍，表面耐磨性能大大提高。程立军等13在不锈钢基体上采用反应磁控溅射法制备TiAlCrN涂层，并研究了涂层的耐腐蚀性能及Cr含量对涂层性能的影响，随着Cr含量增加，涂层厚度先增加后减少，耐腐蚀性能逐渐增强，且明显优于不锈钢及 TiAlN 涂层。在多弧离子镀TiAlCrN薄膜时，基体偏压的作用是提供一个加速电场，增加沉积粒子的能量，从而改变薄膜的结构和性能。唐明等14采用电弧离子镀技术制备了 AlCrSiN涂层，研究基体偏压对涂层结构及力学性能的影响，适当提高基体偏压，可细化AlCrSiN涂层的晶粒，涂层结构更加致密，可显著提高AlCrSiN涂层的硬度、结合力及耐磨损性能。付泽钰等15研究了基体偏压对高功率脉冲磁控溅射制备 CrAlN 薄膜性能的影响，随着基体偏压提高，膜层的致密度提高，高偏压下制备的CrAlN薄膜抗氧化性能更好。本文采用多弧离子镀技术在H13模具钢表面制备 TiAlCrN 薄膜，研究不同基体偏压对 TiAlCrN 薄膜的结构、力学性能、抗氧化性和耐腐蚀性能的影响。1 实 验1.1试样的制备以尺寸为 20 mm10 mm8 mm 的 H13 模具钢为基体材料，将样品经过水砂纸研磨抛光，再分别用金属清洗剂和去离子水超声波清洗表面，然后用无水乙醇脱水，在真空干燥箱中烘干。镀膜实验选择纯度为 99.99%的 Ti45 Al45Cr10 合金靶材，纯度为99.99%的氮气作为反应气体，纯度为 99.99%的氩气作为保护气体，在TSU-650型多功能镀膜机上制备薄膜。先将镀膜机真空室内压强抽至1.010-3 Pa，真空室内加热到200，通入氩气调节流量使炉内压强为2 Pa，使用400 V负偏压对基体表面进行清洗，清洗时间为20 min，然后通入氩气，调节炉内压强为0.8 Pa，调节弧电流70 A，在不通入氮气下，在试样基体表面沉积TiCrAl 5 min作为过渡层，然后调节控制氮气与氩气流量比为8 2，分别采用偏压50 V、100 V、150 V、200 V、250 V，制备5种TiAlCrN薄膜，沉积时间均为60 min。1.2实验方法采用 DX-2700 型 X 射线衍射仪（XRD）检测TiAlCrN薄膜表面的物相组成。为了确定通过XRD检测出各晶面的择优取向，利用织构系数TC来表征涂层中各晶面的择优取向，TC计算公式（1）为：20第 45 卷 第 4 期（总第 361 期）2023 年4 月电 镀 与 精 饰TC(hkl)=I(hkl)/I0(hkl)(1/n)I(hkl)/I0(hkl)（1）公式中I（hkl）为涂层中（hkl）面的实际晶面衍射强度；I0（hkl）为通过PDF衍射卡片查阅的标准（hkl）面的晶面颜射强度；n 为 XRD 衍射峰的数目。TiAlCrN薄膜的表面形貌观察在JSM-6510LV型扫描电子显微镜（SEM）上完成，硬度采用HV-1000型显微维氏硬度计测试，每个试样选取6个点进行测试，取平均值。薄膜与基体的结合力采用WS-2005 型涂层附着自动划痕仪测量，平均加载速率为40 N/min，载荷40 N。抗氧化性能在SX-2.5-10 型箱式电阻炉进行实验，将样品放入箱式电阻炉中加热至800，保温1 h，随炉冷却至室温。用精密天平称取氧化实验前后试样的质量，计算每组样品的氧化增重率。薄膜试样的耐腐蚀性能采用 CHI660E电化学工作站检测，介质是3.5 wt.%NaCl溶液，测量电位扫描范围相对于开路电位0.90.2 V，扫描速率为0.02 V/S。电化学测试采用三电极体系，辅助电极为纯铂片，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），工作电极为基体及TiAlCrN镀膜试样。2结果与讨论2.1表面形貌图 1 为不同偏压下（50 V、100 V、150 V、200 V和 250 V）制备的 TiAlCrN 涂层的 SEM 表面形貌。可以看出不同偏压下制备的TiAlCrN涂层表面都有不同大小的固体颗粒，在偏压为100 V时大颗粒数量较少且均匀细小，涂层表面质量较好。这是因为随着偏压增大，离子携带的能量越大，在真空腔内加速射向基体表面后，可以与基体更好地结合，并且偏压增大后离化率提高