35CrMo鋼表面化學(xué)氣相沉積多層硬質(zhì)涂層的結(jié)構(gòu)與性能研究

　　采用化學(xué)氣相沉積法在35CrMo 鋼基表面制備TiC/TiN雙層、TiC/Ti(CN) /TiN和TiC/Ti(CN) /TiN/ Al2O3多層硬質(zhì)涂層，利用掃描電子顯微鏡、X 射線衍射儀、顯微硬度計(jì)、多功能表面力學(xué)性能試驗(yàn)儀和摩擦磨損試驗(yàn)儀測試分析了涂層的組成結(jié)構(gòu)、粗糙度和表面力學(xué)性能. 結(jié)果表明: 三種硬質(zhì)涂層表面較均勻、致密，具有高硬度、低摩擦系數(shù)等特點(diǎn)，較大提高了35CrMo 鋼的耐磨擦磨損性能。相比TiC/TiN雙層，多層涂層具有更好的力學(xué)和耐磨性能，其中多層TiC/Ti(CN) /TiN 的摩擦系數(shù)最小，耐磨損性能最好，原因主要?dú)w于TiC/ Ti(CN) /TiN 涂層具有較高的顯微硬度( 2559HV) 和良好的膜基界面結(jié)合力(7N) 。

　　35CrMo 合金鋼具有抗拉強(qiáng)度高、沖擊韌性大和耐疲勞等優(yōu)異的機(jī)械性能，已大量應(yīng)用于油氣田鉆采工具領(lǐng)域。鉆采工具在使用過程中，經(jīng)常要承受各種拉、剪、磨擦和腐蝕等作用，極易造成材料的損傷，影響工具的使用壽命。由于材料的磨損、腐蝕等破壞過程大都是從其表面開始的，因此在材料表面附上一層強(qiáng)度高、耐磨、抗氧化的涂層材料，完全可以抑制或減緩各種破壞過程的產(chǎn)生、發(fā)展，達(dá)到防護(hù)的目的。表面硬質(zhì)涂層的發(fā)展為優(yōu)化石油機(jī)械系統(tǒng)的摩擦學(xué)性能，解決材料磨損提供了一條極具生命力的途徑。

　　以Ti( CN) 、Al2O3 為主的硬質(zhì)涂層具有較優(yōu)異的性能，如Ti( CN) 的高硬度、強(qiáng)韌性和好的耐磨性能，Al2O3 則具有良好的熱穩(wěn)定性和抗高溫氧化能力等，在降低構(gòu)件的摩擦磨損方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是單層、二元復(fù)合膜層對(duì)高速負(fù)載系統(tǒng)的減磨效果一直不夠理想。除了涂層自身的性能缺陷外，單層膜的致密度較差，生長的涂層通常為柱狀晶結(jié)構(gòu)，含有部分從涂層表面到襯底的疏松微孔，而且單層膜與襯底界面的結(jié)合力也較低，這些存在的問題極大限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用規(guī)模。

　　相比而言，多元、多層涂層技術(shù)是通過多種涂層的復(fù)合化協(xié)同效應(yīng)，在材料表面獲得更高性能的復(fù)合改性層，改善涂層在復(fù)雜環(huán)境，特別是極端條件下的使用性能。根據(jù)Koehler 多層強(qiáng)化模型的基本思想，即多層結(jié)構(gòu)涂層的界面有阻礙位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的作用，使得多層涂層均具有比單層更好的力學(xué)和耐磨性能，而且在組分和結(jié)構(gòu)上具有梯度特性的多層涂層具有更加優(yōu)異的摩擦學(xué)特性。

　　目前，國內(nèi)外刀具材料界對(duì)Ti(CN) 、Al2O3 的研究較多，但多是在硬質(zhì)合金表面制備，而在鋼基表面沉積這兩種涂層，尤其是包含過渡層的多層涂層的研究工作相對(duì)較少，現(xiàn)有文獻(xiàn)采用的方法主要包括離子鍍、熱噴涂、熱化學(xué)和溶膠凝膠等。由于這些方法的沉積溫度較低，膜與基體的界面結(jié)合效果不是十分理想，有些方法在涂層沉積后還需進(jìn)一步熱處理以生成更穩(wěn)定的晶相，增加了工序、成本。相比，化學(xué)氣相沉積( CVD) 法是一種應(yīng)用較廣的涂層制備技術(shù)，它是通過原子或分子堆垛沉積生成的可廣泛用于提純物質(zhì)、淀積各種薄膜及涂層材料，具有很好繞鍍性且生長的膜層與基體界面結(jié)合力強(qiáng),膜層質(zhì)量比較穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文采用CVD 法在35CrMo 鋼基表面制備了TiC/TiN 雙層、TiC/Ti (CN) /TiN 和TiC/Ti (CN) /TiN/Al2O3 多層涂層，測試分析了涂層的顯微結(jié)構(gòu)、粗糙度和相組成，比較研究了幾種涂層的顯微硬度、界面結(jié)合力和耐磨性能，分析了影響涂層耐磨性能的原因。

1、試驗(yàn)

1.1、試樣制備

　　基材選用50 mm × 15 mm × 4 mm 的35CrMo 合金鋼(0# ) ，經(jīng)過研磨、拋光，丙酮超聲清洗及噴砂等預(yù)處理，表面粗糙度Ra 達(dá)0.6 um。采用自主研發(fā)的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)裝置，選取TiCl4、CH4、H2 反應(yīng)源制備TiN，沉積時(shí)間為70 min；TiCl4、N2、H2 作為TiC 的反應(yīng)源，沉積時(shí)間為25 min；它們的混合用來制備Ti( CN) ，沉積時(shí)間為35 min；沉積Al2O3 時(shí)，以AlCl3、CO2 和H2 為反應(yīng)源，H2，Ar 為載氣，沉積時(shí)間為70 min，上述各種涂層的沉積溫度控制在900~1010 e ，制備出TiC/ TiN 雙層( 1# ) 、TiC/ Ti( CN) / TiN( 2# ) 和TiC/Ti( CN) /TiN/Al2O3( 3# ) 多層涂層。

1.2、試驗(yàn)方法

　　采用JSM-5600 掃描電鏡( SEM) 觀察涂層的表面及斷面形貌，利用DX-1000 型X 射線衍射( XRD) 儀分析涂層物相組成。用HXD-1000TMB 數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測試，采用維氏壓頭，載荷100 g,保壓10 s，測定5 個(gè)點(diǎn)取平均值�；�體及涂層表面粗糙度、膜基界面結(jié)合力采用MFT-4000 多功能表面力學(xué)性能試驗(yàn)儀測定。在MS-T3000 旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫?zé)o潤滑摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨副為–6mm 的GCr15 鋼球(硬度63HRC) ，分別選取100，200和500 g 載荷，轉(zhuǎn)速400 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑3 mm，時(shí)間60 min，磨損試驗(yàn)前后用丙酮超聲清洗試樣，在電子天平上( 0.1 mg) 稱重記錄試樣的質(zhì)量損失，通過GL-99 型體視顯微鏡觀察磨痕的形貌。

2、結(jié)果與討論

2.1、顯微形貌及表面粗糙度分析

　　圖1 為TiC/TiN 涂層的表面形貌，可看出涂層表面顆粒細(xì)小，分布較均勻，但膜層出現(xiàn)了較多微裂紋，原因可能是TiC 涂層本身脆性大，而且其和基體鋼之間的線膨脹系數(shù)有較大差別，在涂層制備過程中，由于溫度的變化產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而僅通過雙層結(jié)構(gòu)不能較好的緩解熱應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)微裂紋，其表面粗糙度大小為0. 2 um。圖2( a) 為TiC/Ti( CN) /TiN 多層的表面形貌，可知涂層表面平整,顆粒大小約3 um，分布均勻，表面粗糙度大小為0.05 um，由圖2( b) 發(fā)現(xiàn)TiC/Ti( CN) /TiN 涂層總厚度約10 um，涂層之間及涂層與基體之間界面清楚且結(jié)合緊密，無孔隙和裂紋出現(xiàn)，界面結(jié)合效果良好。圖3(a) 是TiC/ Ti( CN) /TiN/Al2O3 涂層的顯微形貌,涂層表面較平整，顆粒大小較均勻，表面粗糙度數(shù)值為0. 02 um。圖3( b) 為其截面圖，可以看出涂層總厚度約7 um，涂層與基體界面處沒有出現(xiàn)新相、孔洞等缺陷，界面結(jié)合性能也較高，說明通過多層過渡層能夠較好的緩解涂層與基體之間的組成、結(jié)構(gòu)差異，改善涂層的表面形貌和力學(xué)性能。

圖1 TiC/ TiN 涂層的SEM 表面形貌

圖2 TiC/Ti( CN) / TiN 涂層的顯微形貌

圖3 TiC/ Ti( CN) / TiN/ Al2O3 涂層的顯微形貌

結(jié)論

　　(1) 采用CVD 法在35CrMo 鋼基表面成功制備了TiC/TiN、T iC/Ti ( CN) / TiN、TiC/ Ti( CN) /TiN/ Al2O3硬質(zhì)涂層，涂層表面較平整，表面粗糙度小，結(jié)構(gòu)較致密，厚度為7~ 10 um。

　　(2) 和基體相比，經(jīng)表面處理后，其硬度有了大幅提高，最高可達(dá)原基體硬度的8 倍。涂層與基體之間的界面結(jié)合力達(dá)35 N 以上，其中TiC/ Ti( CN) /TiN 涂層與基體的結(jié)合效果最好，可達(dá)70 N。在不同的加載情況下，表面處理后35CrMo 鋼的摩擦系數(shù)均較基體的大幅降低，其中TiC/Ti( CN) / TiN 多層涂層的最小，磨損量最低，耐磨性最好。