【正文】 處，這是由MoS2（100）、（101）和（103）等晶面衍射產(chǎn)生的。處，其中心約在13176。每種涂層的譜線上都有兩個衍射帶。由表43可以發(fā)現(xiàn)，涂層氧含量隨鈦含量的增加而降低，說明共沉積鈦可以降低MoS2涂層中的氧雜質(zhì)含量，從而有利于提高涂層的摩擦性能。m1）MoS210161016MoS2LTi10161017MoS2HTi10171017　MoS2Ti涂層的成分及組織結(jié)構(gòu)MoS2Ti復(fù)合涂層的成分見表43，～ μm，涂層的成分分析結(jié)果中包含鈦過渡層中的鈦元素，所以表43中的鈦含量大于MoS2Ti復(fù)合層的實際鈦含量。m1）ω（m3表42　MoS2Ti涂層的摩擦系數(shù)和比磨損率Table 42　Friction coefficient and specific wear rate of the MoS2Ti coatings涂 層P = 40 NP = 80 Nω（m3N1N1在40 N載荷下，保持了MoS2涂層低摩擦的特性。MoS2涂層在80 N載荷下2350 s時摩擦系數(shù)急劇增大，光學(xué)顯微觀察發(fā)現(xiàn)涂層已經(jīng)磨穿，含鈦涂層在實驗結(jié)束時仍沒有失效的跡象，說明共沉積鈦提高了MoS2涂層的承載性能和耐磨性。從圖中可以看出，摩擦系數(shù)隨鈦含量的升高而增大，并且高載荷下摩擦系數(shù)較小。ab 圖41　MoS2Ti涂層的典型壓痕照片F(xiàn)ig. 41　Typical indenter images of the MoS2Ti coatings（a）MoS2；（b）MoS2LTiba c圖42　MoS2Ti復(fù)合涂層的劃痕照片和摩擦力－載荷曲線Fig. 42　Scratch images and frictionload graph of the MoS2Ti coating（a）MoS2；（b）MoS2LTi；（c）MoS2HTi綜合來說，在測試載荷范圍內(nèi)沒有達(dá)到涂層的劃痕臨界載荷Lc，三種MoS2Ti涂層的Lc＞100 N，具有優(yōu)異的附著性能；但是從壓痕和劃痕的形貌可判斷出，隨著鈦含量的增加MoS2Ti涂層的附著性提高。從劃痕照片可以看到，MoS2和MoS2LTi涂層在劃痕周邊有破碎現(xiàn)象，劃痕內(nèi)部較光滑，沒有裂紋和剝落發(fā)生，而MoS2HTi涂層在劃痕內(nèi)部和周邊都沒有裂紋和剝落發(fā)生。而MoS2LTi涂層和MoS2HTi涂層的壓痕周圍的涂層沒有裂紋和剝落現(xiàn)象，說明涂層的附著性優(yōu)良，可評定為HF1?！oS2Ti涂層的附著性MoS2Ti涂層的典型壓痕照片如圖41所示。表41　MoS2Ti涂層的厚度、硬度和附著性Table 41　Thickness, hardness and adhesion strength of the MoS2Ti coatings涂 層厚 度（μm）硬 度（HV10mN）附著性等級Lc（N）MoS2550HF4100MoS2LTi720HF1100MoS2HTi980HF1100～ μm，隨鈦含量的增加而增大。（2）在基體與多元氮化物涂層之間加入Ti/TiN或Cr/CrN中間過渡層大大提高了涂層的附著性，Cr/CrN中間過渡層的效果更好。涂層與基體的結(jié)合強度高，TiAlN涂層的臨界載荷Lc＝58 N，CrTiAlN和CrSiN涂層的臨界載荷Lc＞60 N。為提高涂層的附著性可以在涂層和基體之間加入中間過渡層，以此來松弛涂層與基體之間的應(yīng)力。同時，對基體進(jìn)行離子轟擊清洗，離子轟擊清洗可清除基體表面吸附的氣體及雜質(zhì)，提高表面清潔度，改善形核和生長狀態(tài)，提高界面結(jié)合強度。基體的表面狀態(tài)對附著力有很大影響，基體表面的不清潔將使涂層不能和基體直接接觸，范德瓦爾斯力大大減弱，擴(kuò)散附著也不可能，會使附著性能很差。CrSiN的強化機(jī)制與TiAlN和CrTiAlN的有所不同，是由于硅原子的間隙固溶而強化。TiAlN晶格中的置換鈦原子的鋁原子使晶格發(fā)生畸變，從而提高TiAlN的強度和硬度，CrTiAlN的強化原理與TiAlN相同，置換鉻原子的鈦原子和鋁原子使晶格發(fā)生畸變。涂層強化的機(jī)制有多種，如晶界強化（即細(xì)晶強化）和固溶強化。 HV比具有柱狀組織的Cr1xSixN涂層的硬度高。與E. Martinez等人制備的Cr1xSixN涂層相似。間隙固溶存在一個最大固溶度，當(dāng)硅含量超過最大固溶度時，硅原子在晶界偏聚，可能以非晶或納米晶SiNy的形式存在。Cr1xSixN涂層的硬度隨硅含量的增加而升高， HV，隨后逐漸降低，當(dāng)x [50]。熱處理后，涂層主體部分仍保持多層結(jié)構(gòu)，表明涂層的物理性能沒有很大改變。多合金CrTiAlN涂層比單金屬氮化物和二金屬氮化物更耐磨，可能是因為多合金氮化物在苛刻條件下能夠保持硬度、韌性、耐磨性和熱穩(wěn)定性不變。與TiN相比，CrN和AlN的彈性模量較低，因此能承受較大應(yīng)變而不破裂。TiN是一種具有高硬度和高彈性模量的材料，因此在大應(yīng)變和變形情況下會斷裂。CrTiAlN涂層具有氮化物硬涂層的最引人注目的性能（硬度、韌性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和附著性），并且有優(yōu)異的性能。目前研究者多采用電弧離子鍍法使用鈦鋁合金靶和鉻靶制備CrTiAlN涂層，本文采用非平衡磁控濺射離子鍍法并使用分立的純金屬靶制備CrTiAlN涂層，這能靈活地優(yōu)化涂層的成分、納米結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，并可能控制涂層的殘余應(yīng)力。ab　cd　圖313　CrSiN涂層的TEM照片（a）明場像；（b）暗場像；（c）電子衍射花樣；（d）明場像放大Fig. 313　TEM micrographs form the CrSiN coating（a）Bright field image；（b）Dark field image；（c）Electronic diffraction pattern；（d）Bright field image at large magnification　討論分析，鋁含量低的Ti1xAlxN涂層為單一的立方結(jié)構(gòu)相，隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量增加，晶格常數(shù)減?。?，Ti1xAlxN涂層中出現(xiàn)較軟的六方結(jié)構(gòu)AlN相，然后隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量降低。ba　c圖312　CrTiAlN涂層的TEM照片（a）明場像；（b）暗場像；（c）電子衍射花樣Fig. 312　TEM micrographs form the CrTiAlN coating（a）Bright field image；（b）Dark field image；（c）Electronic diffraction patternCrSiN涂層的透射電鏡照片如圖313所示，可以看出，CrSiN涂層為致密的多晶組織，晶粒尺寸為10～50 nm，在圖313（a）中的每個黑色區(qū)域內(nèi)部還有更細(xì)小的組織，放大后如圖313（d）所示，可能是由納米晶和非晶相組成的?！《嘣锿繉拥腡EM分析使用透射電子顯微鏡對CrTiAlN涂層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，由圖312可以看出，CrTiAlN涂層為致密的多晶組織，晶粒細(xì)小均勻，晶粒尺寸為30～50 nm。稍大，沒有六方結(jié)構(gòu)的Cr2N或Si3N4相，也沒有發(fā)現(xiàn)單質(zhì)硅。圖311　CrSiN涂層的X射線衍射譜Fig. 311　XRD pattern of the CrSiN coating，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)， 197。、 197。 197。圖39　TiAlN涂層的X射線衍射譜Fig. 39　XRD pattern of the TiAlN coating圖310　CrTiAlN涂層的X射線衍射譜Fig. 310　XRD pattern of the CrTiAlN coatingCrTiAlN涂層的X射線衍射譜如圖310和圖311所示，由于CrTiAlNⅠ涂層的厚度較小，衍射譜上基體的衍射峰較強，涂層的衍射峰較低，CrTiAlNⅡ涂層的厚度較大，因此衍射譜上涂層的衍射峰較強。 197。這是因為涂層沉積溫度較低（低于200℃），涂層生長時以密排面（111）為主要生長晶面，以降低涂層生長過程中的界面能增長。CrSiN涂層過渡層的沉積工藝與CrTiAlN涂層過渡層的沉積工藝相似，都是基體/Cr層/CrN層/過渡層的成分變化形式，從球坑圖可以看出，CrSiN涂層與基體之間的Cr/ μm，涂層與基體結(jié)合牢固，因此涂層的附著性優(yōu)異。涂層與基體之間有一個平緩的成分和結(jié)構(gòu)過渡，這種過渡可以有效的減緩?fù)繉拥膬?nèi)應(yīng)力在涂層與基體的界面處積聚，有利于提高涂層的附著性。圖36　TiAlN涂層的橫截面形貌與成分深度分布Fig. 36　Crosssection and elemental depth profile of the TiAlN coating圖37　CrTiAlNⅠ涂層的橫截面形貌與成分深度分布Fig. 37　Cross section and elemental depth profile of the CrTiAlNⅠ coating基體與金屬層之間的擴(kuò)散混合區(qū)是在金屬打底階段中由于高能金屬離子的轟擊效應(yīng)生成的。CrTiAlN涂層的截面形貌和該處涂層元素的深度分布如圖37所示，涂層組織致密，涂層與基體的界面平整但不明晰，涂層成分呈明顯的梯度分布，從基體到表面呈現(xiàn)從Cr層到CrN層再過渡到CrTiAlN層的過渡形式。TiAlN涂層的橫截面形貌與成分深度分布如圖36所示，可看出，涂層組織致密，涂層與基體的界面平整而清晰，涂層成分呈明顯的梯度分布，從基體到表面呈現(xiàn)從Ti層到TiN層再過渡到TiAlN層的過渡形式。入射離子電流與靶電流成正比。在不同靶材的濺射率不同，在相同能量的Ar+離子轟擊濺射下，濺射率按Cr、Al、Ti、Si的順序減小。CrSiN涂層中Cr：Si原子比為92：7。表面成分分析發(fā)現(xiàn)，TiAlN涂層中Ti：Al原子比為54：46。研制的多元氮化物涂層硬度高、附著性好，達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用刀具涂層的性能要求。ab圖32　TiAlN涂層的（a）劃痕照片和（b）摩擦力－載荷曲線Fig. 32?。╝）Scratch image and（b）frictionload graph of the TiAlN coatingCrTiAlN涂層和CrSiN的劃痕照片和劃痕試驗的摩擦力－載荷曲線如圖33～35所示，劃痕內(nèi)部及邊界處的涂層沒有剝落現(xiàn)象，摩擦力隨載荷的增加平穩(wěn)增加，說明涂層的附著性優(yōu)良，涂層的臨界載荷Lc60 N。在壓入過程中，壓頭周圍的基體和涂層都發(fā)生很大的變形，當(dāng)變形量超過了涂層的塑性變形極限后，涂層內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，所以產(chǎn)生了徑向的裂紋，裂紋沒有沿著涂層與基體的界面擴(kuò)展并使涂層產(chǎn)生剝落，說明涂層與基體的界面結(jié)合強度較高。不同多元氮化物涂層的附著性等級和臨界載荷見表31。因此，研制的多元氮化物涂層的硬度都高于2000 HV，一般來說，TiN涂層的硬度約為2000 HV，CrN涂層的硬度約為1800 HV，這說明多元氮化物復(fù)合涂層的硬度明顯比二元TiN、CrN涂層的硬度高?！?μm，因涂層成分和沉積時間不同而異。透射電鏡涂層樣品的制備方法是：用JO－ mm厚的試片，從基體側(cè)把試片經(jīng)金相砂紙由粗到細(xì)順次研磨至約80 μm，然后置于GL－6960型離子剪薄儀上由基體向涂層表面單向剪薄，直至樣品中心穿孔為止。用D/max－RC型X射線衍射儀分析涂層的相組成，分析射線為Cu Kα，采用θ－2θ連動模式。則涂層的比磨損率為：ω＝Vw/(P?l) （3）式中：ω為比磨損率（mm3?N1?m1），P為試驗所加載荷（N），l為摩擦副的相對滑動距離（m）。為簡化磨損體積計算，采用公式（2）進(jìn)行計算[47]。用BC－2型球坑儀在磨痕上制備球坑，與測量涂層厚度的方法相同，測量出磨痕的深度。試驗時在40 N和80 N的載荷下進(jìn)行，軌道直徑分別設(shè)定為10 mm和8 mm， m/s，即轉(zhuǎn)速分別為382 r/min和477 r/min。本文中劃痕試驗使用CSR－01型劃痕試驗機(jī)和ST2200型劃痕試驗機(jī)采用摩擦力和聲發(fā)射法來判斷臨界載荷Lc， N/min和100 N/min，劃痕速度為10 mm/min。圖25　涂層附著性的評定標(biāo)準(zhǔn)Fig. 25　The standard of adhesion strength壓痕法是用HR－150A洛氏硬度計，使用金剛石圓錐壓頭垂直涂層表面壓入，所用載荷為150 kg，在光學(xué)顯微鏡下放大100倍觀察壓痕的形貌，根據(jù)壓痕周圍涂層產(chǎn)生裂紋和剝落的程度判斷涂層的附著強度，并依據(jù)德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN Fachbericht 39）規(guī)定的方法確定涂層附著強度的級別（如圖25所示），HFHF2表示涂層的附著強度優(yōu)良，HFHF4表示涂層有足夠的附著強度，HFHF6表示涂層沒有足夠的附著強度?！⊥繉痈街缘臏y試涂層與基體結(jié)合強度在很大程度上決定了涂層應(yīng)用的可靠性和使用壽命，是得以發(fā)揮涂層作用的基本條件，也是涂層制造過程中普遍關(guān)心的問題。本文用MH－3顯微硬度計測試涂層的顯微硬度，采用維氏金剛石壓頭，測試載荷為25 g，保持時間為5 s。納米壓入儀測試硬度通過測量壓入深度計算硬度值，用計算機(jī)自動采樣，無需光學(xué)觀測，可以提高測量精確度。為了避免受基體變形的影響，測試涂層硬度時應(yīng)盡量使用小載荷，減小壓入深度，一般認(rèn)為壓入深度應(yīng)小于涂層厚度的1/7～1/10。當(dāng)涂層與基體界面不清晰時，可采用背散射電子像技術(shù)來獲得清晰的界面。鋼球直徑D為30 mm，則涂層厚度t用公式（1）計算。球磨法：使用Teer涂層公司生產(chǎn)的BC－2型球坑儀制備球坑，通過添加適量金剛石研磨膏的