采用Teer UDP 650 型閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備沉積CrN 鍍層,通過調(diào)變偏壓獲得不同結(jié)構(gòu)和性能的CrN鍍層。試驗(yàn)用劃痕法測(cè)定了鍍層結(jié)合強(qiáng)度、用球- 盤方法測(cè)定了鍍層摩擦系數(shù)和比磨損率、用壓入法評(píng)價(jià)鍍層韌性,硬度測(cè)試在維氏硬度計(jì)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著濺射偏壓的升高,離子速流提高,偏壓過低或過高均使沉積速率下降, -50V～-70V 偏壓時(shí)沉積速率基本保持穩(wěn)定。CrN 鍍層的硬度隨偏壓的升高而升高,但伴隨著韌性的下降。高偏壓下沉積的鍍層摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì),偏壓在- 40V～-70V 間制備的鍍層對(duì)磨WC 球時(shí)幾乎不磨損,但當(dāng)偏壓從- 70V 提高到- 80V 時(shí),磨損明顯加劇。

　　與工業(yè)應(yīng)用最早的TiN 硬鍍層相比,CrN 鍍層由于Cr 元素和鋼中Fe 的親和力比Ti 高,有可能進(jìn)一步提高膜基結(jié)合強(qiáng)度;Cr 與氧的親和力比Ti 低,可能提高鍍層抗氧化能力,同時(shí)CrN 硬度雖然比TiN 低,但韌性可能高,CrN 不如TiN 脆,也使得鍍層內(nèi)應(yīng)力低,從而可以制備厚度較大的鍍層,Cr 和氮低親和力也可提高靶抗中毒性能。諸多的優(yōu)點(diǎn)使CrN 鍍層獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

　　不同制備方法獲得CrN 鍍層的性能具有較大的差別,眾多文獻(xiàn)對(duì)CrN 鍍層的組成、微觀結(jié)構(gòu)、硬度和致密度及摩擦學(xué)性能與鍍層沉積方法和工藝參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行了較為詳盡的研究。R.Hoy等的研究結(jié)果認(rèn)為隨偏壓的升高,CrN 鍍層硬度和致密度提高,偏壓小于- 50V 時(shí),離子能量和束流均很小,但超過- 50V 后因存在二次等離子而使得內(nèi)應(yīng)力明顯下降。J.J.Olaya認(rèn)為非平衡磁控濺射沉積CrN 鍍層時(shí),脈沖偏壓能量對(duì)Cr/N 比無影響,施加- 100V 偏壓時(shí),CrN 鍍層呈明顯的(200) 取向,但鍍層晶粒尺寸有所長(zhǎng)大,鍍層的硬度和耐蝕性提高了。JyhWei Lee也發(fā)現(xiàn)了偏壓對(duì)硬度影響明顯, - 290V 時(shí)硬度提高到20GPa , 取向從(111) 向(200) 轉(zhuǎn)變,但偏壓對(duì)結(jié)合力無明顯影響,有無偏壓時(shí)鍍層結(jié)合強(qiáng)度均較高。Min J . Jung認(rèn)為鋼基體上CrN 鍍層在100V 偏壓時(shí)取向由(200) 變?yōu)?220) ,但在玻璃和Si 基體上鍍層取向不隨偏壓而變化;E.Forniés等研究了偏壓對(duì)CrN 鍍層磁控濺射沉積速率、鍍層結(jié)構(gòu)、硬度以及耐磨性的影響,結(jié)果表明偏壓過高時(shí),會(huì)因?yàn)殡x子束流能量太高而引起二次濺射。同時(shí)高N2 流量條件下也可能因靶中毒而引起沉積速率下降。還發(fā)現(xiàn)偏壓增加,鍍層結(jié)構(gòu)由柱狀晶變?yōu)榈容S晶,硬度提高,N2 高流量時(shí)磨損率會(huì)下降。S. Ortmann1的研究結(jié)果指出,無偏壓時(shí)CrN呈多孔型結(jié)構(gòu),各柱狀晶間相互獨(dú)立;偏壓升高到-150V 后柱狀晶被明顯壓致密了,而且出現(xiàn)了多面體結(jié)構(gòu),晶粒尺寸約50nm ,并出現(xiàn)類針狀結(jié)構(gòu),偏壓繼續(xù)提高到- 300V 后晶粒長(zhǎng)大到250nm - 300nm ,此時(shí)鍍層表面變得粗糙。

　　上述文獻(xiàn)在偏壓對(duì)CrN 鍍層的致密度、晶粒度和取向、以及硬度、耐蝕性等取得了一些研究成果,但是試驗(yàn)結(jié)果也不甚一致,對(duì)鍍層韌性和摩擦學(xué)性能研究涉及不多,而這些性能對(duì)鍍層的工業(yè)應(yīng)用起到關(guān)鍵作用。本文應(yīng)用閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射系統(tǒng)制備了不同偏壓條件下的系列鍍層,分析研究偏壓對(duì)鍍層沉積速率、結(jié)合強(qiáng)度、硬度和摩擦系數(shù)、磨損率以及鍍層韌性的影響規(guī)律,為該類鍍層的工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)方法

　　用Teer UDP550 型非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)制備CrN 鍍層,試樣基體為M42 高速鋼圓片和(100)單晶硅片,鋼質(zhì)基體表面用1μm 金剛石研磨拋光,用于鍍層厚度、摩擦系數(shù)、比磨損率測(cè)試,在硅片試樣上采用壓入法測(cè)定四角裂紋長(zhǎng)度以間接評(píng)價(jià)鍍層韌性。所有試樣安裝在同一個(gè)可以三軸轉(zhuǎn)動(dòng)的試樣架上。鍍膜時(shí)背底真空度2.7 ×10 ^{- 3} Pa ,工作氣壓4×10 ^{- 1} Pa ,Cr 靶輸入功率214kW,氬氣流量10sccm。鍍膜過程中通過檢測(cè)靶表面濺射原子激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的輝光強(qiáng)弱來調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體N2 的流量,以維持等離子體中濺射粒子數(shù)的動(dòng)態(tài)恒定,從而達(dá)到精確控制鍍層成分的目的。試驗(yàn)中靶表面輝光相對(duì)強(qiáng)度用OEM值表征,假設(shè)未通入反應(yīng)氣體(本實(shí)驗(yàn)反應(yīng)氣體為N2) 時(shí),靶表面濺射離子某波長(zhǎng)的輝光強(qiáng)度為100 % ,當(dāng)通入一定流量的反應(yīng)氣體開始沉積后,靶表面濺射離子該波長(zhǎng)的輝光強(qiáng)度因部分濺射離子與反應(yīng)氣體反應(yīng)生成了化合物而將降低到一定值,此值即定義為OEM值。CrN 鍍層沉積時(shí)OEM 值設(shè)置為60 %恒定不變,通過改變基體脈沖偏壓大小調(diào)節(jié)離子對(duì)鍍層生長(zhǎng)時(shí)的轟擊強(qiáng)度,調(diào)變鍍層組織結(jié)構(gòu)以及性能,脈沖偏壓頻率250Hz ,脈沖寬度500ns。不同鍍層樣品的沉積參數(shù)如表1。

表1 　鍍層工藝及薄膜厚度

　　用球坑儀測(cè)量鍍層厚度。在MH - 5 型顯微硬度計(jì)用努氏壓頭測(cè)定鍍層硬度,壓入載荷25g。用英國Teer 公司研制的ST2200 劃痕儀定量測(cè)量鍍層的結(jié)合強(qiáng)度,載荷從10N 加到85N ,滑動(dòng)速度10mm·min - 1 。用POD2I 型球盤摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)定鍍層摩擦系數(shù),并在磨損軌跡上做球坑以確定鍍層的比磨損率SWR(Specific wear rate) ,摩擦配副為直徑5 mm的WC26 %Co 球,載荷20N ,相對(duì)摩擦速度200mm·s - 1 ,摩擦?xí)r間30min。鍍層韌性采用在硅片試樣上用維氏壓頭在一定載荷下壓入后,測(cè)定壓坑四角裂紋總長(zhǎng)的方法來間接評(píng)價(jià)。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1、不同偏壓下偏壓電流和沉積速率的變化

　　圖1 為CrN 薄膜在非平衡磁控濺射沉積中的基體偏壓和偏壓電流的關(guān)系。由于鍍膜過程中采用了相同的三軸轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái),試樣數(shù)量、形狀不變,因此可以認(rèn)為整個(gè)陰極(工作臺(tái)) 表面積一定,這樣就用偏壓電流間接評(píng)價(jià)試樣表面獲得的離子轟擊束流密度。結(jié)果表明,提高基體偏壓,離子束流逐漸增加,但隨著偏壓的進(jìn)一步增加,離子束流增加速度逐漸減慢。從圖1 中不同偏壓下鍍層的沉積速率變化曲線可見,提高基體偏壓,開始時(shí)沉積速率呈下降趨勢(shì), -50V～ -70V 偏壓沉積速率基本穩(wěn)定,繼續(xù)增加偏壓又開始下降。

圖1 　偏壓電流,沉積速率和偏壓關(guān)系曲線　　圖2 　偏壓對(duì)CrN 鍍層結(jié)合強(qiáng)度影響

2.2、偏壓對(duì)鍍層結(jié)合強(qiáng)度的影響

　　圖2 的鍍層結(jié)合強(qiáng)度隨偏壓的變化規(guī)律表明,施加-40V～-50V 偏壓時(shí)鍍層結(jié)合強(qiáng)度很好,臨界載荷均達(dá)到85N ,偏壓超過- 50V 后開始出現(xiàn)劃痕邊緣剝落現(xiàn)象(見圖2 上方劃痕軌跡照片) ,但是即使偏壓提高到-80V ,臨界剝落載荷仍然有近50N ,這比真空技術(shù)網(wǎng)上其它文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)均要高。