阴极多弧离子镀CrAlN涂层表面质量优化研究_连信宇.pdf
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1、 阴极多弧离子镀 涂层表面质量优化研究连信宇,王 欣,聂高升,胡 鹏,所新坤(宁波大学机械工程与力学学院多维增材制造研究所,浙江 宁波;宁波大学阳明学院,浙江 宁波;宁波钢铁有限公司,浙江 宁波;宁波亚大金属表面处理有限公司,浙江 宁波)摘 要 针对高速加工中冲压模具的磨损问题,常使用阴极多弧离子镀改善表面性能,阴极多弧离子镀涂层表面质量是影响冲压模具寿命的主要因素之一。采用正交试验研究了直流偏压、氮气流量和弧源电流对 涂层表面质量的影响,采用极差法和方差法分析了直流偏压、氮气流量和弧源电流对 涂层表面质量影响的显著性。结果表明:氮气流量对 涂层表面质量影响最为显著,直流偏压也对 涂层表面大颗
2、粒数量有较为显著的影响。当直流偏压为 ,氮气流量为 ,弧源电流为 时,涂层表面大颗粒数量最少,涂层表面质量最好,每 里有 个大颗粒。关键词 冲压模具;阴极多弧离子镀;正交试验;大颗粒;表面质量中图分类号 文献标识码 :文章编号(),(,;,;,;,):,(,):;收稿日期 基金项目 国家自然科学基金()资助 通信作者 所新坤(),教授,博士研究生导师,主要研究方向为冷喷涂、激光 打印和超高速激光熔覆等,:前 言碳化钨硬质合金钢冲压工具在高速加工中磨损快,导致产品产量减少、能源费用增加和工件表面质量下降等问题。为了减少工具的磨损,提高产品性能,常使用薄膜技术对工具进行微米级厚度的硬涂层改性。涂层
3、保护金属基底免受机械磨损,增加散热并减少应力,。物理气相沉积()和化学气相沉积()是 种常用的硬涂层表面改性技术。与 技术相比,的沉积温度较低,较为环保,在实际工程中被广泛使用。在 技术中,阴极多弧离子镀()技术因其沉积速率高、薄膜附着力强等优点,成为了用于沉积耐磨硬涂层最广泛的方法之一,。然而,由于受工艺条件的限制,靶材表面产生大量液滴,对涂层的摩擦学性能产生了负面影响,。当液滴数目过多时,涂层中形成大颗粒数目增多,导致涂层表面粗糙,孔隙率、磨损率增加,耐腐蚀性降低。液滴的数量和分布在很大程度上取决于工艺参数(例如沉积温度和压力、阴极电流、施加的偏置电压、金属离子蚀刻、氮气流速)和靶材熔化温
4、度等,。等研究了高速钢上氮化钛()涂层中的大颗粒和生长机制,指出了金属离子蚀刻、衬底偏压和氮气流速对于液滴数目的影响作用,发现了高速钢表面剥离发生在离子蚀刻阶段,由此产生的尖峰穿过 薄膜突出,导致薄膜表面大颗粒增多。当氮气体流量增加到 时,液滴尺寸和数量减少。等使用、和铝作为阴极并在压力范围为 的氮气气氛中进行薄膜的沉积,并用扫描电子显微镜对大颗粒数量进行了表征。结果表明随着铝含量的降低和氮气压力的增加,大颗粒数量减少。等阐述了在阴极电弧涂层中微粒的产生、传播和控制,并指出阴极的宏观粒子质量随电流和阴极表面平均温度的升高而增大,随阴极材料熔化温度的升高而减小,保持尽可能低的温度,可以减少液滴产
5、生。等研究了直流真空电弧放电中 阴极产生的大颗粒,提出了超尺寸大颗粒产生的机制。等从理论上研究了多电荷离子轰击沉积基底产生的潜在电子发射对等离子体动力学的影响,并给出了不同基底偏置电压下的大颗粒尺寸的数值,结果发现增加基底偏置电压可以显著降低大颗粒含量。目前,针对钨钢表面 涂层表面质量的研究较少。因此,本工作采用()正交试验系统研究了直流偏压、氮气流量和弧源电流对阴极多弧离子镀 涂层表面质量的影响规律,并获得了 涂层制备的关键参数,为钨钢表面 涂层制备提供了基础实验数据。试 验 涂层的制备采用纯度为,直径为 的 圆靶()作为溅射靶材。采用直径为 ,厚度为 的钨钢()作为基材,表面形貌如图 所示
6、。镀前基材进行机械抛光,经过抛光后的样品在分别放在 溶液(),通用除油粉溶液(),通用除蜡水()中各自超声清洗,进行防锈,除油,除蜡。基材从除蜡水中取出后,放入超声波清洗机里清洗表面 ,再放进电热鼓风干燥箱中(型),加热 。图 钨钢表面形貌 加热结束后,将试片垂直安装在距离靶材正前方 的支架上。使用多弧离子镀()将 涂层沉积在钨钢基底上。抽真空至气压为,并将腔室加温至 ,在涂层沉积过程中,衬底支架以 的速度旋转带动试片进行圆周转动,试片本身不进行转动。为了去除薄氧化层 污染物层,进行两步刻蚀。使用 个 靶材()作为离子蚀刻制备基板的靶材。第一步进行氢气和氩气刻蚀,通入氢气和氩气(),流速为 ,
7、调节气压至,同时施加 的衬底偏压,刻蚀电流为,持续 。第二步进行氩气()刻蚀,刻蚀在氩气中进行,流速为 ,调节气压至,衬底偏压为,刻蚀电流为 ,持续,氩气在真空环境下被电离成氩离子,进行离子刻蚀,清洗基体表面,提高基体表面质量,提高膜层结合强度。沉积过程中,将沉积温度调整为 ,并通入氮气(),施加衬底偏压及弧源电流,在施加弧源电流的同时进行点弧操作,让靶材起弧。按照表 中的直流偏压、氮气流量、弧源电流参数完成镀膜,沉积时间为 ,当将炉内温度降至 时,关闭机器,等待自然冷却至室温后将样品取出。正交试验的设计采用 因素 水平进行正交试验,因素组为直流偏压()、氮气流量()、弧源电流()和空白列 (
8、)。空白列作为误差列存在,以判断误差对试验结果的影响,如表 所示。表 因素 水平取值表 水平因素直流偏压 氮气流量()弧源电流 空白列 涂层组织结构与性能表征使用球坑测厚仪()对涂层表面厚度进行检测,将制备好的涂层试片置于球磨仪的专用夹具上,在不锈钢球上涂有专用的金刚石研磨膏,通过转轴带动不锈钢球转动,转动时间为 。为避免边角效应对厚度的影响,在涂层表面选取 个点进行测量,取平均值。采用全自动维氏硬度计()测量膜层的显微硬度,加载时间为 ,载荷为 ,每个试样测 个点取平均值。采用洛氏硬度仪()测量膜层的结合力,载荷设置为 ,压头为金刚石(锥角 尖端半径 ),并通过德国工业技术协会制定的方法来判
9、断。涂层压痕的边缘形貌被划分为 到 个等级,涂层结合强度最好,随着序号的增加,涂层结合强度依次递减,、则表示涂层结合强度不足。图 为不同结合强度的压痕边缘形貌。其中,黑色条纹为裂纹,灰色位置为涂层破损位置,能够明显看到基底。采用扫描电子显微镜()观察膜层表面,每个取样点面积 。使用 软件()对膜层表面进行颗粒计算,统计 个取样点的表面颗粒数量,取平均值。使用 射线衍射仪分析材料的物相结构(),所用辐射源为,步长为,范围为。结果与讨论 表面形貌分析正交试验参数设置和试验结果如表 所示,其中 表示涂层大颗粒数目。随着直流偏压和氮气流量的增加,涂层表面大颗粒数量大幅度减少,这是因为从靶材离化的大颗粒
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