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
10、通过与电子相互作用而带负电,通过大颗粒与负偏压基底之间的排斥,导致金属离子能够均匀吸附在基底表面。高负偏压也会使等离子体离子以更高的能量撞击基板表面,从而提高其温度并使薄膜表面平滑。增加沉积过程中反应气体的分压可以减少图 不同结合强度的压痕边缘形貌 反应阴极电弧蒸发中大颗粒的数量,这是由于在真空汞处于恒定抽速的状态下增加氮气气体的流速,腔室内的压力增加,反应气体与阴极进一步形成了化合物。这些化合物通常表现出比原来的靶材拥有更高的熔点,从而减少了液滴的产生。而弧源电流对于表面颗粒数量的影响较小。表 正交试验结果 编号试验因素试验结果 个硬度 厚度 注:面积 颗粒未统计,每个样品随机选取 个点,每
11、个取样点面积 。图 显示了不同参数条件下 涂层的表面形貌,大颗粒数量与表 呈现同样的趋势。从表 中可以看出,随着氮气流量的减少和弧源电流的增加,涂层硬度与涂层厚度增加,两者的变化趋势一致。随着氮气流量的提高,涂层沉积速率下降,主要归因于镀膜过程中的“靶中毒”现象:靶表面的 原子和 原子与 离子结合,从而形成 化合物和 化合物。而会在氮气流量较低的情况下在靶面首先生成。随氮气流量的增加,靶表面的 化合物和 化合物数量增加,的数目减少,从而使靶的蒸发速率下降,涂层的沉积速率因而大大下降,并容易造成断弧,引弧困难的现象。同时,由于 的量不断增加,的量不断减少,涂层硬度值也在逐渐下降。弧源电流的增加提
12、升可以有效提高 靶的离化率,使涂层中 含量增加,引起的晶格畸变程度增加,涂层硬度提升。同时,弧流过大会增加涂层厚度,造成大颗粒增多,增加了涂层的缺陷,使致密度降低,从而导致涂层硬度下降。图 组 涂层表面形貌 形貌 表 显示了 涂层表面不同粒径颗粒数量,其中膜层上极微小的颗粒不对工业应用构成影响,为使大颗粒分布情况更加显著,统计颗粒时忽略直径小于 的颗粒。结果表明,涂层表面颗粒直径一般小于 ,绝大多数处在于 之间,颗粒大小尺寸的分布比例十分接近。增加偏压和氮气流量,不但会减少颗粒数,大直径颗粒占比亦会随之下降,说明偏压值和氮气流量对大颗粒存在抑制作用,而且随着偏压和氮气流量的增大抑制效果增强。图
13、 为 涂层边缘压痕形貌。可以看到,涂层厚度增加的同时,涂层的结合强度呈现下降趋势。涂层厚度如表 所示。相比于其他编号样品,编号 拥有最大的涂层厚度,从图 中可以看到编号 的涂层压痕裂纹较大,压痕边缘出现明显破损,从图中方框 表 不同编号样品表面颗粒统计 编号直径()()直径(个)注:直径小于 颗粒未统计,每个样品随机选取 个点,每个取样点面积 。位置可以看出钨钢基底。这是由于涂层内应力随涂层厚度增长而上升,过大的涂层内应力导致涂层结合强度降低,在服役过程中容易出现提前剥落等情况。当涂层厚度大于 时,通过与图 对比可以发现涂层压痕边缘均出现明显破损,结合强度均处于 的状态。而涂层厚度在 之间,通
14、过与图 对比可以发现涂层压痕边缘出现部分破损,因此判定涂层结合强度介于 之间。极差分析的设计对试验结果数据进行极差分析,结果见表 表。可以看出,影响涂层表面颗粒数量的因素依次为,影响涂层硬度的因素依次为,影响涂层厚度的因素依次为。根据综合平衡法,对涂层表面颗粒数目进行分析,先逐一分别按单指标计算分析找出其因素水平的最优组合,再根据各项指标重要性及其各项指标中因素主次、水平优劣等进行综合平衡,最后确定整体最优组合为。图 涂层结合强度 形貌 表 涂层表面颗粒数量极差分析表 水平因素 表 涂层硬度极差分析表 水平因素 表 涂层厚度极差分析表 水平因素 方差分析的设计方差分析是建立在极差分析的基础上,
15、进一步准确地分析各个因素对涂层表面数量的影响,并采用显著性检验来判断沉积参数对涂层表面数量的影响,结果如表 表 所示。为 因素列各项偏差平方和,为 因素列的自由度,临界值通过临界值表查得,(,),(,)。经过计算,表 中弧源电流的偏差平方和 小于误差项的偏差平方和,可将弧源电流与原误差项合并作为新误差项,表 中直流偏压的偏差平方和 小于误差项的偏差平方和,可将直流偏压与原误差项合并作为新误差项。由表 可知,氮气流量对涂层表面颗粒数量影响最为显著,其 值大于其他参数的 值,而直流偏压对涂层表面颗粒数量影响较为显著,其 值仅比氮气流量的 值小。方差分析结果与极差分析结果一致。表 涂层表面颗粒数量方
16、差分析表 因素均方 值 临界值 显著性 显著 显著 (误差)合并误差 由表 可知,直流偏压、氮气流量、弧源电流对涂层硬度的影响均不显著,所计算的 值均小于 临界值。其中氮气流量对涂层硬度影响最为明显,其 值大于其他参数的 值,而弧源电流对涂层硬度影响较为明显,其 值仅比氮气流量的 值小。方差分析结果与极差分析结果一致。表 涂层硬度方差分析表 因素均方 值 临界值显著性 (误差)合并误差 由表 可知,弧源电流对涂层厚度影响最为显著,其 值大于其他参数的 值,而氮气流量对涂层厚度影响较为显著,其 值仅比弧源电流的 值小。方差分析结果与极差分析结果一致。表 涂层厚度方差分析表 因素均方 值 临界值显
17、著性显著显著(误差)合并误差 涂层组织结构与结合强度分析采用 参数制备 涂层(编号),涂层的相结构如图 所示。图 编号 涂层的 谱 薄膜是基于氮化铬()的面心立方结构而形成的,其中半径较小的 原子以固溶的方式替代一部分 原子形成的三元氮化薄膜。从图中可以看出,涂层具有 晶体结构和 空间群。涂层中出现 的衍射蜂,这是因为 涂层太薄,厚度只有 ,在 扫描过程中会扫描到。涂层中 相以 和 的衍射峰为主,这是因为靶材 圆靶的铝含量达到,铝浓度的增加促进了 相的形成,有利于涂层的高温抗氧化性能提高的同时提高冲压模具的冲击疲劳行为,这归因于 原子与 离子形成高硬度的面心立方 相。同时 元素易形成致密的 氧
18、化膜,该氧化膜相比 的氧化物稳定性更高,可阻隔氧向涂层内的扩散,使涂层的耐氧化能力和高温稳定性得到提升。图 为编号 涂层试样的表面形貌和结合力测试结果。涂层表面颗粒减少到 个 (由 个 计算得出),涂层工艺的改善能够有效地减少涂层表面颗粒数目,提高涂层的性能。涂层压痕周围出现了比压头稍大的径向裂纹,并从图中方框位置可以看出钨钢基底,通过与图 对比可知,编号 涂层处于 状态,涂层存在部分剥落的现象。涂层硬度达到了(),涂层厚度为()。图 编号 涂层 形貌 结 论()正交试验结果表明,氮气流量对涂层的表面大颗粒数量的影响最大,其次是直流偏压,弧源电流的影响最小。()氮气流 量 从 增 加 到 ,直
19、流偏压从 减少到,表面大颗粒数量降低到()个 ;当弧源电流从 到 时,表面大颗粒数量减少。()氮气流 量 从 降 低 到 ,弧源电流从 增加到 ,涂层硬度和涂层厚 度 显 著 增 加;当 直 流 偏 压 从 减 少到 时,涂层硬度和涂层厚度减少。参考文献 ,():,():,:,:,:,():,():,:,():,():,:,:,():,():,():,:,:莫继良,朱旻昊,安 剑,等 物理气相沉积 涂层的研究进展:第六届全国表面工程学术会议暨首届青年表面工程学术论坛论文集兰州:中国机械工程学会,:,王晓峰,赵瑞山,任 鑫 靶电流对复合离子镀 薄膜组织结构与性能的影响 材料保护,():,():,():,():,(),():,():,():编校:董 雪