基片偏压对模具钢表面镀TiAlN薄膜的微观组织和性能的影响

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　　摘  要：文章研究了基片偏压对TiAlN涂层的微观组织和性能的影响。研究结果表明：基片偏压150V时，薄膜表面形貌晶粒分布均匀，致密性好。随着负偏压增加，TiAlN薄膜的显微硬度值先增大后减小，薄膜显微硬度偏压增加150V时达到最大值3184.2HV;随着负偏压增大，TiAlN薄膜的膜基结合力先增大后减小，当基体负偏压上升到150V时，膜基结合力达到最大为31.9N。
　　关键词：多弧离子镀;TiAlN涂层;模具钢
　　中图分类号：TG146.4 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2020）04-0027-02
　　Abstract： The effects of substrate bias on the microstructure and properties of TiAlN coatings are studied in this paper. The results show that： when the substrate is biased at 150V， the surface morphology and grain distribution of the film are uniform and the compactness is good. With the increase of the negative bias， the microhardness of the TiAlN thin film first increases and then decreases. The microhardness of the thin film increases to 3184.2HV when the bias of the microhardness increases by 150V. With the increase of the negative bias， the film-based bonding of the TiAlN thin film The force increases first and then decreases. When the substrate negative bias voltage rises to 150V， the film-base binding force reaches a maximum of 31.9N.
　　Keywords： multi-arc ion plating; TiAlN coating; mold steel
　　H13模具钢是一种常见的汽车模具钢，具有较高的韧性、良好的红硬性、优良的热疲劳性能，被广泛应用于生产制造各种汽车零部件，但是，H13钢工作环境恶劣，在使用过程中常发生粘着磨损和热疲劳失效。表面处理技术中离子渗氮和陶瓷涂层可以有效抑制H13钢模具裂纹萌生，提高H13钢的表面强度和抗疲劳性能。然而，氮化的缺点是模具表面層的塑性和韧性降低，陶瓷涂层不适合涂层的早期开裂失效。多弧离子镀技TiAlN硬质涂层具有高的硬度、高的抗氧化性能，可望改善模具表面的耐磨损性能和热疲劳性能[1，2]。基于此，本文以汽车模具钢H13钢为研究对象，利用多弧离子镀技术在H13钢表面沉积TiAlN涂层， 研究了基片偏压对TiAlN薄膜表面形貌、硬度、和膜基结合力的影响。
　　1 试验
　　1.1 薄膜制备
　　本试验选用的基体材料为H13模具钢。试样规格为：20mm*14mm*7mm;将热处理过后的基材用水磨砂纸逐级打磨至1500#，然后在抛光机上进行抛光，使其表面粗糙度Ra<0.8μm。并分别用丙酮和乙醇清洗30min，吹干后装炉。实验采用TSU-650多弧离子镀膜设备，靶材为Ti-Al合金靶（50/50at%），工作气体为高纯氩气，反应气体为高纯氮气。沉积镀膜前，设备进行抽真空，当真空度达1.5×10-3Pa时，打开偏压电源对镀膜室内的试样进行偏压清洗，清洗20min后，镀膜压力为8×10-1Pa，打开镀膜电源进行预镀膜10min，之后充入N2进行镀膜，镀膜完成后，样品随炉冷却至室温后取出，基片偏压分别为50V、100V、150V、200V。
　　1.2 测试分析
　　采用JSM-6510LV型扫描电镜（SEM）进行薄膜表面形貌观察;用HV-1000型显微硬度计测量薄膜的显微硬度，载荷50gf，加载时间30s，每个试样取6个点进行检测，取平均值;用WS-2005型涂层自动划痕仪测量薄膜的膜基结合力，实验载荷为40N，加载速率为40N/m。
　　2 结果与讨论
　　2.1 不同基片偏压对涂层表面形貌的影响
　　图1为不同基片偏压下的TiAlN涂层表面形貌图。从图1可以看出，薄膜表面存在许多大小不一的液滴状圆形物体，当基体负偏压为50V时，薄膜表面密集分布着许多直径较大的液滴颗粒。随着基体负偏压的上升，薄膜表面大颗粒数目逐渐下降，且薄膜表面粗糙度也显著降低;当负偏压继续增大到200V时，薄膜表面又出现许多直径较大的液滴颗粒，薄膜表面粗糙度也较高。这主要是因为随着偏压的增大，薄膜的离子能量增大，可将已沉积在薄膜表面的大颗粒击碎或溅射出去，从而改善了薄膜表面质量。但是当偏压进一步升高后，影响镀膜质量的原因是离子轰击能量过大，导致薄膜表面产生许多缺陷[3]。当偏压为150V时，薄膜的表面形貌最好，表面晶粒分布均匀，致密性好，单位面积上的颗粒密度较小。
　　2.2 不同基片偏压对涂层硬度的影响
　　不同基片偏压TiAlN薄膜的显微硬度数据如图2所示。从图2中可以看出，薄膜的显微硬度值随基体负偏压的增加呈先上升后下降的变化趋势。当基体负偏压为150V时，薄膜的显微硬度达到峰值，为3184.2HV。随着基片偏压升高显微硬度上升，主要原因是离子和电子随着基体负偏压上升产生电场力的作用下被加速，离子能量不断加大，对薄膜表面的轰击能力加强，薄膜沉积的结合力更强、更加的致密均匀，故薄膜硬度值会增加。但是继续增加偏压导致离子轰击能量过大，当显微硬度达到峰值之后，会使薄膜的显微硬度下降，因为过大的偏压不仅会把已成形的薄膜相轰击掉，还会溅射到薄上会使薄膜产生缺陷，发生反溅射，导致薄膜硬度下降[4]。
　　2.3 不同基片偏压对膜层结合力的影响
　　图3为不同基片偏压下TiAlN薄膜的结合力。随着基片偏压的增大，膜基结合力先增大后减小，在基片偏压为150V时，TiAlN涂层的膜基结合力最高，达到31.9N。这主要是由于两个原因导致膜基结合力不断升高：第一，离子轰击的能量随着负偏压的升高而加大，导致沉积到膜层的粒子数量变多，因此膜层界面趋于平缓、形成的组织均匀致密，存在于膜层与基体之间的残余应力变小，因此结合强度增大;第二，部分存在于膜层表面的大颗粒在离子的轰击下被击碎，另外存在一些吸附力较低的大颗粒在反溅射作用下被溅射出去，使得只有较为细小致密的原子存在于膜层表面，增强了膜基结合力。但是膜基结合力在负偏压由150V进一步升高时表现为不增反降的趋势，这是由于过高的负偏压使离子沉积到基体表面后，基体表面温度增高，导致晶格畸变，增大了残余应力，造成基材软化，影响膜基结合力。
　　3 结论
　　（1）随着基片偏压的升高，薄膜表面晶粒尺寸减小，致密度和均匀性得到了提高，但基片偏压为200V时，涂层表面出现大颗粒，影响镀层质量。
　　（2）随着基片偏压的升高，薄膜硬度和结合力先增大后减小，当基片偏压为150V时，薄膜具有最高的硬度和结合力。
　　参考文献：
　　[1]胡志杰，李争显，王宝云，等.工艺参数对Ti合金表面电弧离子镀TiA1N涂层的性能影响[J].热加工工艺，2008，37（12）：109.
　　[2]陈强，张而耕，张锁怀.TiAlN，TiAlSiN涂层的制备及其切削性能[J].表面技术，2017，46（1）：118-123.
　　[3]张海平，王守仁，郭培全.TiAlN基薄膜的研究进展[J].机械工程材料，2013，37（4）：1-4.
　　[4]梁启超，王天国.多弧离子镀TiAlN薄膜的制备及其抗氧化性能[J].材料保护，2017，50（1）：1-4.
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