李 璠，李艷芬

(貴州紅林機(jī)械有限公司，貴陽(yáng) 550009)

0 引言

近年來(lái)，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的日益提高，越來(lái)越多的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件需要高硬度、高耐磨、高耐腐蝕、高精度尺寸的功能性特殊涂層，以達(dá)到表面改性的目的，來(lái)滿足產(chǎn)品性能特殊要求。金屬氮化物、碳化物因具有硬度高、抗氧化、耐腐蝕和摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，常被用作發(fā)動(dòng)機(jī)零部件表面的耐磨涂層。真空離子多弧TiN 硬質(zhì)薄膜發(fā)展較為成熟，目前已在精密耐磨零件中獲得成功應(yīng)用。

真空多弧離子沉積是真空物理氣相沉積(PVD)技術(shù)中比較理想的工藝方法之一，它具有沉積速度快，金屬粒子離化率高，鍍膜過(guò)程控制穩(wěn)定，且形成的膜層硬度極高、致密度大、摩擦因素小、與基體結(jié)合力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高，工藝過(guò)程產(chǎn)生的溫度效應(yīng)低等優(yōu)點(diǎn)［1］。其基本原理:真空室內(nèi)有多個(gè)作為蒸發(fā)離化源的陰極和工件架，低壓大電流直流電源與蒸發(fā)源和引弧電極相接，引弧電極在陽(yáng)極表面接觸時(shí)瞬間引發(fā)電弧，低壓大電流直流電源維持陰極和陽(yáng)極之間的弧光放電過(guò)程，放電過(guò)程中使陰極材料大量蒸發(fā)，并形成定向的具有能量的原子核離子束流，足以在基體上沉積具有牢固吸附力的膜層。膜層內(nèi)應(yīng)力，一般分為壓應(yīng)力和張應(yīng)力［2］。膜層內(nèi)應(yīng)力和膜基結(jié)合力之間是對(duì)抗(競(jìng)爭(zhēng))關(guān)系。膜層越厚內(nèi)應(yīng)力越大，要求膜基結(jié)合力越高。優(yōu)良的膜層需要有高的膜基結(jié)合力，同時(shí)還要控制膜層內(nèi)應(yīng)力。膜層太厚也會(huì)改變被鍍件的尺寸精度。反之膜層太薄，又會(huì)減弱耐磨損性能。因此膜層厚度是有控制的，真空離子多弧TiN 膜層的厚度通常在2～10 μm［1］。采用劃痕儀測(cè)得的臨界載荷應(yīng)該是在膜層內(nèi)應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的膜基結(jié)合狀況。因此膜基結(jié)合力臨界載荷是評(píng)價(jià)真空離子多弧TiN 膜層最重要的性能指標(biāo)［3］。隨著我國(guó)材料檢測(cè)儀器設(shè)備的發(fā)展［6］，自動(dòng)劃痕測(cè)量?jī)x為試驗(yàn)研究提供了手段。

本研究對(duì)真空離子多弧TiN 硬質(zhì)薄膜的結(jié)合力檢測(cè)進(jìn)行試驗(yàn)探究，建立4Cr14Ni14W2Mo 和W9Mo3Cr4V 材料真空離子多弧TiN 硬質(zhì)薄膜的檢測(cè)試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件選擇

選擇4Cr14Ni14W2Mo 和W9Mo3Cr4V 材料制成試樣，在多功能離子鍍膜機(jī)上進(jìn)行TiN 鍍膜試驗(yàn)。試樣狀態(tài)見(jiàn)表1。

表1 試樣狀態(tài)Table 1 Sample state

1.2 樣品的制備

對(duì)加工好的4Cr14Ni14W2Mo 和W9Mo3Cr4V試驗(yàn)件，在MIP-700 多功能離子鍍膜機(jī)上進(jìn)行鍍膜試驗(yàn)，鍍膜厚度要求3～5 μm。基本流程為:鍍前檢驗(yàn)→清洗→裝掛零件→抽真空→加熱→輝光清洗→濺射清洗→沉積鍍膜→冷卻→取樣→檢查結(jié)合力。

為保證鍍膜質(zhì)量，試樣表面粗糙度R 應(yīng)在0.32以下，鍍后表面目視檢查不得有劃傷、碰傷與其他機(jī)械損傷。

1.3 結(jié)合力試驗(yàn)

將鍍好的結(jié)合力試樣在溫度(20±5)℃和相對(duì)濕度RH(50±10)%的條件下至少放置8 h，然后按規(guī)定步驟測(cè)試。試驗(yàn)機(jī)和微機(jī)系統(tǒng)在試驗(yàn)期間嚴(yán)禁受到振動(dòng)和沖擊。

結(jié)合力試驗(yàn)采用WS-2005 自動(dòng)劃痕測(cè)量?jī)x，選擇金剛石壓頭(頂角120°，頂端半徑R 在(200±5)μm 范圍內(nèi))，在不小于40 倍的顯微鏡下檢測(cè)壓頭，確認(rèn)其頂端是光滑潔凈的球面方可使用。將金剛石壓頭固定在夾頭中，使其軸線垂直于膜層表面。用聲發(fā)射動(dòng)載荷測(cè)量方式，分別對(duì)每個(gè)試樣各做至少5 次重復(fù)試驗(yàn)(即5 條劃痕)，記錄4 條劃痕產(chǎn)生的臨界載荷進(jìn)行試驗(yàn)分析。每個(gè)劃痕之間間距至少2 mm(用試驗(yàn)臺(tái)縱向帶刻度手柄控制)，見(jiàn)圖1 所示。

試驗(yàn)條件:a)劃痕速度(10±1)mm/min;b)劃痕長(zhǎng)度3～5 mm;c)加載載荷40～60 N;d)加載速率40～60 N/min。

圖1 劃痕間距Fig.1 Span between scratches

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

樣品的鍍膜厚度采用GX-71 顯微鏡進(jìn)行測(cè)定［7］，每個(gè)樣品測(cè)定5 個(gè)點(diǎn)取平均值記錄。樣品的表面硬度采用AVV502 型全自動(dòng)顯微硬度計(jì)在表面上［8］進(jìn)行，每個(gè)樣品測(cè)定5 個(gè)點(diǎn)取平均值記錄。鍍膜厚度見(jiàn)圖2。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3 所示。在確定第一個(gè)出現(xiàn)的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度峰值是否為膜層結(jié)合力的臨界載荷時(shí)，需要對(duì)劃痕進(jìn)行光學(xué)放大觀察形貌來(lái)判斷。通過(guò)試驗(yàn)得出，一般情況下臨界載荷峰值出現(xiàn)后會(huì)緊接著連續(xù)出現(xiàn)峰值且不斷升高。如果前方僅出現(xiàn)1 條獨(dú)立的峰值，必須通過(guò)光學(xué)放大鏡放大20～80 倍觀察確定是否為膜層破裂產(chǎn)生的峰值。

觀察結(jié)合力試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)圖形，TiN 膜層的劃痕試驗(yàn)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)峰型均為間斷式，這一點(diǎn)與放大的劃痕形貌特征是吻合的。如圖4 為4Cr14Ni15W2Mo 鍍TiN 膜層的劃痕形貌，

可見(jiàn)破裂的膜層為間斷式的發(fā)展，在第1 個(gè)破裂和第2 個(gè)破裂之間存在一個(gè)間隔。

表2 測(cè)試結(jié)果Table 2 Test result

圖2 鍍膜厚度測(cè)量Fig.2 Measurement of coating thickness

圖3 臨界載荷測(cè)量結(jié)果Fig.3 Critical load measurement results

圖4 4Cr14Ni14W2Mo 鍍TiN 膜層的劃痕形貌Fig.4 Scratch appearance of TiN coating on 4Cr14Ni14W2Mo

兩種不同基體材料的鍍膜層結(jié)合力有明顯的差別。即結(jié)合力與基體材料的硬度是有關(guān)系的。基體材料硬度高其膜層結(jié)合力也高。

2 分析與討論

對(duì)于膜(層)基(底)結(jié)合力的評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外主流采用劃痕檢測(cè)方法。對(duì)于單一的膜層-基底系統(tǒng)，劃痕試驗(yàn)中“臨界載荷”的定義標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)國(guó)外各不相同。

國(guó)內(nèi)通常采用聲發(fā)射法或者摩擦力法測(cè)量“薄膜內(nèi)聚力失效”(Lc*)和“膜-基結(jié)合力失效”(Lc)，后者也簡(jiǎn)稱“臨界載荷”。在國(guó)外，通常采用一個(gè)或者多個(gè)臨界載荷(Lcn)根據(jù)薄膜漸進(jìn)損壞的程度來(lái)定義。ASTM 標(biāo)準(zhǔn)［5］采用顯微鏡直接觀察，確定2 個(gè)臨界載荷(圖5):Lc1為膜層上出現(xiàn)(龜)裂紋開(kāi)始點(diǎn);Lc2為在更高的壓力作用下，和膜層裂紋相關(guān)聯(lián)的其后膜層結(jié)合失效/出現(xiàn)小塊膜層從基底剝落的開(kāi)始點(diǎn);Lc3通常定義為薄膜大面積剝落的開(kāi)始點(diǎn)。研究中，Lc* 對(duì)應(yīng)于Lc1，即薄膜內(nèi)聚力失效;Lc對(duì)應(yīng)于Lc2還是Lc3在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一定義，國(guó)外通常以Lc2定義為薄膜的“臨界載荷”，或者將Lc1、Lc2和Lc3分別列出。對(duì)于一些薄膜，Lc2和Lc3可能接近甚至重合，但對(duì)于另外一些薄膜，兩者相差很遠(yuǎn)［2］。

圖5 劃痕和臨界載荷示意圖Fig.5 Sketch of scratch and critical load

在ASTM C1624—2005 標(biāo)準(zhǔn)中，明確提出臨界載荷(Lcn)的確定只能采用顯微鏡觀測(cè)法［5］。其他方法如摩擦力(摩擦因數(shù))-壓力曲線或者聲發(fā)射法都只能作為輔助工具。而國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 8554—1997)則主要采用聲發(fā)射法和摩擦力(摩擦因數(shù))-壓力曲線來(lái)確定臨界載荷［4］。本研究中論述的試驗(yàn)中的臨界載荷是以Lc1膜層上出現(xiàn)(龜)裂紋開(kāi)始點(diǎn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析的。

3 結(jié)論

1)試驗(yàn)表明膜層結(jié)合力與基體材料的硬度有關(guān)，要提高膜層的結(jié)合力需要提高材料基體的硬度。

2)臨界載荷是劃痕試驗(yàn)中一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，其定義為當(dāng)薄膜開(kāi)始出現(xiàn)破裂、剝落，摩擦因數(shù)急劇增大時(shí)所對(duì)應(yīng)的法向加載。通過(guò)監(jiān)測(cè)劃痕過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)或摩擦因數(shù)的變化曲線，可以確定試驗(yàn)加載的臨界載荷值，用于評(píng)價(jià)膜基之間的結(jié)合強(qiáng)度非常有效。

3)對(duì)于目前生產(chǎn)試驗(yàn)用4Cr14Ni14W2Mo 和W9Mo3Cr4V 兩種材料的真空離子多弧TiN 膜層結(jié)合力評(píng)價(jià)，可以采用自動(dòng)劃痕測(cè)量?jī)x用聲發(fā)射動(dòng)載荷測(cè)量方式測(cè)定臨界載荷進(jìn)行結(jié)合力的評(píng)定。

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