Page 80 - 《摩擦学学报》2020年第5期
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第 5 期                      王泽勇, 等: 微量Ag元素对TiAlN涂层摩擦学性能的影响                                    635

                目前高速、高温切削技术广泛应用于制造业，因                          高纯度氮(质量分数99.99%)作为反应气体. 所有样品
            此开发新型涂层保护刀具，延长刀具的使用寿命是切                            分别用丙酮、乙醇各清洗15 min，然后装入腔室. 将所
            削行业急需解决的问题之一. 近几十年来，TiN涂层由                         有样品悬浮在旋转速度为13 r/min的圆形旋转夹具上.
                                                                                            −3
            于其较高的耐磨性、热稳定性和化学稳定性以及较低                            在沉积之前，真空室在低于1×10  Pa的压力加热至
            的摩擦系数等优异的性能，得到了广泛的应用和研                             250 ℃. 偏压为-900 V，用氩等离子体进一步清洗样品
            究  [1-4] . 但当工作温度超过500 ℃，TiN涂层发生氧化，                15 min. 镀膜工艺参数如下：3个靶的工作电流均为50 A，

            膜层产生裂纹并分层，进而加剧涂层刀具的机械磨损.                           工作气压范围为1.2 Pa(N ：0.8 Pa Ar：0.4 Pa)；沉积时
                                                                                     2
            为提高TiN涂层的抗氧化性能，研究人员在涂层中掺                           间30 min；真空室温度范围控制在245~260 ℃；基体偏
            入Al元素得到了TiAlN涂层          [5-7] ，该涂层与TiN涂层相         压为−600 V；占空比为25%. 具体参数列于表1中.
            比，具有硬度更高，热稳定性高的优点                [3-4] . 据报道，温
            度在700~750 ℃时TiAlN的抗氧化性能优良，因此它                           表 1  TiAlN、TiAlAgN涂层主要沉积工艺参数
                                                                   Table 1  The deposition parameters of TiAlN and
            也成为高温刀具保护涂层的最佳选择之一                    [1, 8-9] . 但像
                                                                               TiAlAgN coatings
            其他硬质涂层一样，TiAlN涂层也具有较高的摩擦系
                                                                Coatings Current/A Pressure/Pa Bias/V Temperature/℃ Time/min
            数 [2, 4, 6, 8,10] . 为了解决这一难题，研究者们尝试向硬质              TiAlN    50    0.8~1.2  −600  245~260   30
            涂层中加入Ag、Cu等金属润滑组元，制备出既能保证                           TiAlAgN  50    0.8~1.2  −600  245~260   30

            硬度又能降低摩擦磨损的复合涂层.
                Ag靶制作成本较高，因此关于TiAlN涂层中掺入                       1.2    摩擦学性能测试
                                    [11]
            Ag元素的研究很少. 陈恩等 采用磁控溅射技术制备                              使用HT-1 000型球盘式磨损试验机在相对湿度
            了TiAlN-Ag涂层，并研究了其在300~600 ℃恒温和                     60%条件下进行摩擦、磨损性能试验. 试验条件：直径
            RT-600 ℃变温环境中的摩擦学性能，结果表明，室温                        5 mm的Al O 球对磨珠，加载载荷2.597 N，平台转速
                                                                          3
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            下TiAlN-Ag涂层摩擦系数高于TiAlN涂层，但在高温                      为196 r/min，试验时间10 min，测试温度分别为室温、
            下TiAlN-Ag涂层的摩擦系数及磨损率明显低于TiAlN                      200、400和600 ℃.
            涂层. Her nán D等 采用直流磁控溅射技术在420钢                     1.3    形貌结构及成分表征
                            [12]
            表面制备了掺杂5种不同含量的Ag和Cu纳米颗粒                                使用FEI公司生产的quanta 200型扫描电镜观察
            (11%~20%，原子百分数)的TiAlN涂层，结果表明，随                     涂层表面及磨痕区域形貌；使用荷兰PHILIPS公司XPERT-
            着Ag-Cu含量的增加，复合涂层的硬度并没有降低，磨                         PRO-MRD-A25型X射线衍射仪(XRD)进行涂层的物
            损体积及摩擦系数显著降低，涂层的磨损机理主要为                            相分析.
                         [13]
            黏着磨损. Li等 采用电弧离子镀技术制备出了Ag原                         1.4    磨痕轮廓测量
            子百分数分别为1.4%、5.3%、7.9%和21.0%的TiSiN-                     使用北京凯达科仪有限公司生产的TR200表面粗
            Ag涂层，研究结果表明金属Ag的掺入也能够明显降                           糙度仪测量磨痕，根据公式K=            V/(S F)计算磨损率，其
            低涂层的摩擦系数.                                          中V为磨损体积：由于磨痕可以近似看成1个球环，环
                本文作者采用Ti Al Ag 和Ti Al Ag 合金靶利                  的截面近似梯形，通过测出磨痕半径再利用V=                h(a+b)πr
                                      1
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            用电弧离子镀技术复合沉积得到了Ag原子百分数分                            计算出磨损体积，h为梯形的高，a和b分别为梯形的上
            别为0.12%和0.30%的TiAlAgN涂层，对其高温摩擦学                    底和下底，r为磨痕圆环的半径. S为滑行距离，F为载荷.
            性能及机械性能进行研究，并讨论了Ag元素的作用机理.                         1.5    硬度测试
                                                                   采用HV-1000Z型自动转塔显微硬度计测试涂层
            1    试验部分
                                                               维氏硬度，维氏硬度值的计算公式：HV=0.189 1F/d .
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            1.1    涂层制备                                        式中HV是维氏硬度符号，F是试验力，d是压痕对角线
                采用沈阳北宇真空设备厂生产的MS-3型多功能                         d 、d 的算术平均值. 每个样品分别取3个区域进行硬
                                                                1
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            制膜机，在长、宽、高分别为30 mm、10 mm和2 mm                      度测试，3次测量的平均数作为涂层硬度.
            的 硬 质 合 金 上 沉 积 TiAlN、 TiAlAgN涂 层 .  Ti Al 、       1.6    涂层结合力测试
                                                     50
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            Ti Al Ag 和Ti Al Ag 合金靶用作电弧离子镀靶材                        采用兰州中科凯华公司生产的WS-2005型涂层附
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                     1
            料. 采用高纯度氩气(质量分数99.99%)作为溅射气体，                      着力自动划痕仪测量涂层结合力. 目前，膜基结合力
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