杨 虎，王仁鑫，郭子铭，林荣川

(集美大学海洋装备与机械工程学院，厦门 361021)

0 引 言

煤炭是我国最主要的一种能源[1]，随着能源消耗的日益增加，开采煤矿的任务也变得更加繁重。目前，国内开采煤矿主要依赖大型机械设备，而设备长期在高速、重载、振动、冲击、摩擦磨损等恶劣工况条件下作业[2]，导致设备零部件容易发生磨损、断裂和腐蚀等失效。20CrMnTi渗碳钢具有良好的低温冲击韧性，常用于制作高速冲击重载矿山机械轴套，但在恶劣环境下长时间工作后也会出现腐蚀、断裂等现象。为延长其使用寿命，可对其进行表面改性处理。CrN涂层作为典型的物理气相沉积硬质涂层，具有较高的硬度以及良好的耐磨和耐腐蚀性能、高温抗氧化性能[3-6]，可作为工模具和切削刀具的表面耐磨防腐涂层。REN等[7]研究发现，采用直流磁控溅射技术在304不锈钢表面沉积CrN涂层，能显著提高基体的耐磨性能。王永光等[8]研究发现，采用电弧沉积技术在40Cr钢齿轮表面制备CrN涂层后，可提高齿轮在低速重载下的耐磨性能。朱峰等[9]采用离子镀技术在活塞环表面制备CrN涂层并与合金铸铁缸套配对，发现活塞环的磨损量大幅度降低。物理气相沉积技术具有沉积温度低、沉积速率快、对环境无污染以及所制备涂层硬度高、耐磨耐腐蚀性好等优点[10-12]；该技术主要分为真空蒸镀、溅射镀和离子镀三类，其中离子镀是应用最广泛的一种镀膜工艺，而电弧离子镀作为其中的一种方法，具有粒子绕射性好和膜基结合力大等优点。目前，有关电弧离子镀技术制备CrN涂层的工艺研究主要集中在基体负偏压及占空比两参数上[13]。在电弧离子镀中，沉积温度是一个重要的工艺参数，其值的确定主要取决于基体的回火温度：如果沉积温度远高于回火温度，会导致基体发生二次回火，基体硬度下降；如果沉积温度远低于回火温度，会导致轰击能量较低，影响涂层致密性[14]。20CrMnTi渗碳钢的回火温度较低，一般在180 ℃左右；而目前采用电弧离子镀制备CrN涂层的沉积温度一般在400～450 ℃[15-16]，有关较低沉积温度下制备CrN涂层的研究较少。因此，作者在120，150,180 ℃沉积温度下采用电弧离子镀技术在20CrMnTi渗碳钢表面制备CrN涂层，研究了沉积温度对涂层微观结构、硬度和摩擦磨损性能的影响，以期为优化工艺参数而制备出性能优异的涂层提供一定的试验指导。

1 试样制备与试验方法

基体材料为尺寸φ20 mm×3 mm的20CrMnTi渗碳钢，其化学成分见表1，热处理工艺为930～950 ℃油淬→渗碳→180 ℃回火。基体经打磨、超声清洗后，采用ICS-S800型电弧离子镀膜设备制备CrN涂层，靶材(纯度99.9%铬)为阴极，基体为阳极，预抽真空到0.5 Pa，将基体分别加热到120，150，180 ℃，通入氩气(流量200 mL·min-1)，氩气在辉光放电下电离形成 Ar+，Ar+在基体负偏压的吸引下刻蚀基体12 min，去除基体表面的氧化物；随后通入氮气(流量150 mL·min-1)，基体偏压为-100～-200 V，电流为110～170 A，沉积时间为166 min。

表1 20CrMnTi钢的化学成分

按照JB/T 7707-1995，采用球痕法测量不同温度沉积得到涂层的厚度，钢球直径为20 mm，旋转时间为15 min，停止研磨后擦净试样表面，在VK-X1000型激光共聚焦显微镜上放大100倍后测量研磨凹坑的尺寸，计算涂层的厚度。利用XRD-6100型X射线衍射仪(XRD)分析涂层的物相组成，采用铜靶，Kα射线，工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，扫描范围为20°～90°，扫描速率为3(°)·min-1，扫描步长为0.02°。利用VK-X1000型激光共聚焦显微镜测涂层的表面粗糙度Ra，并得到涂层的表面三维形貌。采用 FALCON511型维氏硬度计对涂层的硬度进行测试，测5次取平均值，载荷为0.25 N，保载时间为15 s。利用HDS-I型X射线应力测定仪对涂层进行残余应力分析,采用铬靶，Kα射线，管电压为22 kV，管电流为6 mA，测试范围2θ为150°～162°。利用MM-2HB型环块滑动摩擦磨损试验机对涂层进行干摩擦磨损试验，施加载荷为20 N，对磨环材料为45钢，尺寸为φ40 mm×10 mm，转速为400 r·min-1，磨损时间为30 min。利用Phenom XL型台式扫描电子显微镜(SEM)对摩擦磨损试验前后涂层的表面形貌进行观察，并用附带的能谱仪(EDS)对摩擦磨损试验后涂层表面的微区成分进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 厚度、物相组成和表面质量

图1 不同沉积温度下制备得到CrN涂层的XRD谱Fig.1 XRD patterns of prepared CrN coating at different deposition temperatures

利用球痕法计算得到沉积温度为120,150,180 ℃时，涂层的厚度分别为1.699,1.833,1.842 μm，涂层厚度随沉积温度的升高而增大。这是由于在一定范围内，随着沉积温度升高，吸附原子的活性增强，涂层沉积速率增加，导致涂层的厚度增加[17]。由图1可知，不同沉积温度下CrN涂层均出现了六方晶体结构Cr2N相和面心立方结构CrN相的衍射峰，说明涂层中均出现了CrN和Cr2N相，其中CrN(101)衍射峰强度较高，说明涂层在此方向结晶较好。由于低温沉积时原子活性低，不足以全部形成能量较高的CrN相，因此CrN涂层中出现 Cr2N相[18]。120,180 ℃沉积温度下制备的CrN涂层还出现了CrN(220)、CrN(222)和Cr2N(021)相衍射峰，且CrN(220)衍射峰的峰形不明显，相对强度较弱，呈非晶化趋势。

由图2可以看出，不同沉积温度下制备的涂层表面随机分布着一些白色颗粒、针孔和凹坑缺陷。白色颗粒是由电弧离子镀沉积过程中产生的液滴飞溅并黏附在涂层表面所致。大颗粒的产生会严重影响涂层表面质量，可通过阻挡屏蔽装置、电场抑制、调整工艺参数等方法来减少甚至完全消除[19]。针孔和凹坑主要是因为液滴飞溅造成的阴影效应和涂层竞相生长所致[20-21]。涂层表面所呈现的条带状形貌是在基体抛光过程中形成的划痕。相比于120 ℃和180 ℃下制备的涂层，150 ℃下制备的CrN涂层表面白色颗粒、针孔、大凹坑缺陷较少，表面质量较好。

图2 不同沉积温度下制备得到CrN涂层的表面微观形貌Fig.2 Surface mircomorphology of prepeared CrN coating at different deposition temperatures

图3 不同沉积温度下制备得到CrN涂层的表面三维形貌Fig.3 Three dimensional surface topography of prepared CrN coating at different deposition temperatures

基体表面的平均表面粗糙度为0.197 8 μm。由表2可以看出，在基体表面沉积CrN涂层后，其表面粗糙度降低，且150 ℃下制备得到CrN涂层的表面粗糙度最小。由图3可以看出,120 ℃下制备的CrN涂层表面存在明显的大颗粒，150 ℃下制备的涂层表面较平整，180 ℃下制备的涂层表面可观察到明显的凹坑，与微观形貌的观察结果相吻合，进一步说明了150 ℃下制备的CrN涂层具有较好的表面质量。

表2 不同沉积温度下制备得到CrN涂层的表面粗糙度

2.2 残余应力和硬度

基体的硬度为340.76 HV，沉积温度为120,150,180 ℃时，涂层的平均硬度分别为561.11,754.29,734.14 HV。可知CrN涂层可有效提高基体表面硬度，并且随着沉积温度的升高，涂层的硬度呈先升高后降低的趋势，150 ℃下制备得到CrN涂层的硬度最高。随着沉积温度的升高，粒子轰击能量增大，涂层更加致密，涂层的硬度提高；但当温度过高时，粒子运动加剧，涂层中凹坑等缺陷增多，硬度略微降低[22]。残余应力包括涂层与基体热膨胀系数差异引起的热应力以及沉积过程中缺陷产生所引起的生长应力。沉积温度为120,150,180 ℃时，涂层中的残余应力分别为-140，-262，-206 MPa。可知残余应力均为压应力，且残余压应力的变化趋势与硬度一致，当沉积温度为150 ℃时，残余压应力达到最大值。

2.3 摩擦磨损性能

由图4可以看出:在试验时间0～10 min内，120 ℃下制备得到的CrN涂层摩擦因数较低，平均值为0.184 2，随着时间的延长，摩擦因数增大，且波动较大，在试验时间10～30 min内的平均摩擦因数为0.253 7；150 ℃下制备得到的CrN涂层在整个试验过程中的摩擦因数波动较小，平均摩擦因数为0.251 7；180 ℃下制备的涂层在整个摩擦过程中的摩擦因数较大，波动较小，平均值为0.426 4。摩擦因数的大小与表面质量有关，表面缺陷越多，表面粗糙度越大，摩擦因数越大，150 ℃制备的涂层表面缺陷最少，表面粗糙度最低，此时摩擦因数最低。

图4 不同沉积温度下制备得到CrN涂层的摩擦因数随时间的变化曲线Fig.4 Friction coefficient vs time curves of prepared CrN coatings at different deposition temperatures

由图5可以看出，120 ℃下制备得到的CrN涂层在试验30 min后，其磨损表面出现大量凹坑和划痕；位置1与位置2处表面碳、氧和铁含量较多，远多于基体中各元素含量，铬元素含量较低，且位置2处出现硅元素和钼元素，说明摩擦环已磨穿涂层并开始磨损基体，此时涂层发生了磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损。由图6可以看出：150 ℃下制备得到的CrN涂层经过30 min试验后，其磨损表面出现犁沟；位置3和位置4处的铁元素和碳元素含量较多，同时出现了少量锰元素，说明涂层发生了磨粒磨损和黏着磨损，但未出现氧元素，说明涂层未发生氧化磨损。由图7可以看出，180 ℃下制备涂层的磨损表面存在犁沟，位置5和位置6处的氧元素和铁元素含量远超过基体中各元素含量，位置5处未出现铬元素，且位置6处出现锰元素，说明涂层已被磨穿，此时发生了磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损。

图5 120 ℃下制备得到CrN涂层在试验30 min后的磨损形貌和不同位置的EDS谱Fig.5 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 120 ℃ after test for 30 min: (b) position 1 and (c) position 2

图6 150 ℃下制备得到CrN涂层在试验30 min后的磨损形貌和不同位置的EDS谱Fig.6 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 150 ℃ after test for 30 min: (b) position 3 and (c) position 4

图7 180 ℃下制备得到CrN涂层在试验30 min后的磨损形貌和不同位置的EDS谱Fig.7 Wear morphology (a) and EDS spectra of different positions (b-c) of prepared CrN coating at 180 ℃ after test for 30 min: (b) position 5 and (c) position 6

3 结 论

(1) 采用电弧离子镀技术在20CrMnTi渗碳钢表面制备得到的CrN涂层由CrN相和Cr2N相组成；随沉积温度的升高，涂层厚度增加，表面粗糙度先减小后增大，150 ℃下沉积后的表面粗糙度最小，为0.101 2 μm，涂层表面颗粒、针孔、凹坑缺陷少，表面质量最好。

(2) CrN涂层可有效提高20CrMnTi渗碳钢表面硬度，随沉积温度的升高，硬度先升高后降低，残余应力均为压应力，且残余压应力随沉积温度的变化趋势与硬度一致，150 ℃下制备得到涂层的硬度和残余压应力最高，分别为754.29 HV，262 MPa。

(3) 150 ℃下制备的涂层的平均摩擦因数最小，为0.2517，此时涂层的主要磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损，而120 ℃和180 ℃下制备得到的CrN涂层还发生了氧化磨损。