【正文】 量恒為15 sccm，～ Pa，沉積室溫度低于100℃，沉積工藝參數(shù)如表23所示。表23　MoS2Ti涂層沉積工藝參數(shù)Table 23　Deposition process of the MoS2Ti coating步驟偏壓（V）Ti靶電流（A）MoS2靶電流（A）MoS2靶電流（A）MoS2靶電流（A）沉積時(shí)間（min）13501~000202150400083100384303~ITi10530ITi80設(shè)定ITi分別為0、三種涂層分別記為MoSMoS2LTi、MoS2HTi，研究鈦含量對(duì)MoS2Ti復(fù)合涂層的性能和結(jié)構(gòu)的影響作用。TiAlN+MoS2Ti、CrTiAlN+MoS2Ti、CrSiN+MoS2Ti復(fù)合涂層是在沉積氮化物涂層后，再把試樣放進(jìn)另一臺(tái)設(shè)備中沉積MoS2Ti涂層?！⊥繉有阅軠y(cè)試影響涂層耐磨性能的因素很多，一是基體因素，如基體的強(qiáng)度、韌性和表面粗糙度；二是涂層本身性能，如涂層的厚度、硬度、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性等；三是涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，或者說涂層的附著性。本文主要測(cè)試涂層的厚度、硬度、附著性和摩擦性能。　涂層厚度的測(cè)量氣相沉積涂層的厚度一般為幾微米，不能用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行直接測(cè)量，本文用球磨法和掃描電鏡測(cè)量。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旋轉(zhuǎn)鋼球，在涂層表面研磨出一個(gè)深至基體的凹坑，如圖24（a）所示。在光學(xué)顯微鏡下測(cè)出x和y，如圖24（b）所示。鋼球直徑D為30 mm，則涂層厚度t用公式（1）計(jì)算。t ＝xy/D （1）ba 圖24?。╝）球坑儀和（b）球坑法測(cè)量示意圖Fig. 24　（a）Ball crater machine and（b）schematic diagram of measurement掃描電鏡測(cè)量：用線切割把試樣沿著垂直于涂層表面的方向切斷后，用墊銅片的夾子夾持，對(duì)斷面進(jìn)行研磨和拋光，然后用掃描電鏡進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)涂層與基體界面不清晰時(shí)，可采用背散射電子像技術(shù)來獲得清晰的界面。　涂層硬度的測(cè)試通常用顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的硬度，采用維氏或努氏壓頭。為了避免受基體變形的影響，測(cè)試涂層硬度時(shí)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。另一方面，小載荷測(cè)試時(shí)，壓痕對(duì)角線的測(cè)量誤差會(huì)很大，硬度值分散性較大，并且硬度值具有載荷依賴性即壓痕尺寸效應(yīng)，因此要根據(jù)涂層的厚度選擇適當(dāng)?shù)妮d荷。納米壓入儀測(cè)試硬度通過測(cè)量壓入深度計(jì)算硬度值，用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采樣，無需光學(xué)觀測(cè)，可以提高測(cè)量精確度。另外，其加載力是連續(xù)的，可以給出整個(gè)壓入過程的載荷－位移曲線，通過研究壓入曲線可以獲得涂層的硬度、彈性模量、塑性系數(shù)等力學(xué)性能參數(shù)。本文用MH－3顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的顯微硬度，采用維氏金剛石壓頭，測(cè)試載荷為25 g，保持時(shí)間為5 s。用Fischerscope H100動(dòng)態(tài)硬度儀測(cè)試涂層的硬度，采用維氏金剛石壓頭，～10 mN?！⊥繉痈街缘臏y(cè)試涂層與基體結(jié)合強(qiáng)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。本文采用壓痕法和劃痕法測(cè)試涂層的附著性。圖25　涂層附著性的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Fig. 25　The standard of adhesion strength壓痕法是用HR－150A洛氏硬度計(jì)，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(qiáng)度，并依據(jù)德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DIN Fachbericht 39）規(guī)定的方法確定涂層附著強(qiáng)度的級(jí)別（如圖25所示），HFHF2表示涂層的附著強(qiáng)度優(yōu)良，HFHF4表示涂層有足夠的附著強(qiáng)度，HFHF6表示涂層沒有足夠的附著強(qiáng)度。 mm的半球型金剛石壓頭，以一定速度在涂層表面滑動(dòng)，同時(shí)在壓頭上連續(xù)地加垂直載荷L，當(dāng)載荷達(dá)到臨界值Lc時(shí)，涂層開始破裂并與基體連續(xù)剝離，用Lc評(píng)價(jià)涂層與基體的附著性。本文中劃痕試驗(yàn)使用CSR－01型劃痕試驗(yàn)機(jī)和ST2200型劃痕試驗(yàn)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。　涂層摩擦性能的測(cè)試使用Teer公司生產(chǎn)的POD－2型球盤磨損儀測(cè)試涂層的摩擦系數(shù)μ及比磨損率ω，摩擦副為直徑5 mm的WC6％Co硬質(zhì)合金球。試驗(yàn)時(shí)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。測(cè)試溫度為20℃～25℃，相對(duì)濕度為25%～35%，測(cè)試時(shí)間為1 h或當(dāng)摩擦系數(shù)迅速增大后（即涂層失效）停止。用BC－2型球坑儀在磨痕上制備球坑，與測(cè)量涂層厚度的方法相同，測(cè)量出磨痕的深度。并在顯微鏡下測(cè)量出磨痕的寬度。為簡(jiǎn)化磨損體積計(jì)算，采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算[47]。 （2）式中：Vw為涂層的磨損體積（mm3），d為磨痕軌道直徑（mm），h為磨痕深度（mm），b為磨痕寬度（mm）。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(yàn)所加載荷（N），l為摩擦副的相對(duì)滑動(dòng)距離（m）?！⊥繉映煞旨敖M織結(jié)構(gòu)分析用JXA－8800R型電子探針分析涂層的成分，并觀察涂層的橫截面形貌。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(dòng)模式。組織觀察與電子衍射相分析在日立H－800型透射電鏡上進(jìn)行，使用的工作電壓為150 kV。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。22山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章　多元氮化物涂層的結(jié)構(gòu)和性能研究　多元氮化物涂層的性能測(cè)試結(jié)果　多元氮化物涂層的厚度涂層的厚度測(cè)量結(jié)果見表31?！?μm，因涂層成分和沉積時(shí)間不同而異。表31　多元氮化物涂層的性能測(cè)試結(jié)果Table 31　Thickness, hardness and adhesion strength of various nitride coatings涂 層厚 度（μm）硬 度（HV25g）附著性等級(jí)Lc（N）TiAlN2060HF258CrTiAlNⅠ2000HF160CrTiAlNⅡ2450HF160CrSiN2730HF160　多元氮化物涂層的硬度不同多元氮化物涂層的硬度如表31所示，值得說明的是，用MH－3顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層硬度時(shí)，壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度為4～5 μm，比涂層的厚度大，因此實(shí)際測(cè)得的硬度值為涂層與基體的復(fù)合硬度，而涂層的硬度應(yīng)該比實(shí)測(cè)的值高。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。　多元氮化物涂層的附著性涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是影響涂層質(zhì)量的最重要的一種因素。不同多元氮化物涂層的附著性等級(jí)和臨界載荷見表31。多元氮化物涂層的典型壓痕形貌如圖31所示，壓痕周圍的涂層產(chǎn)生了少量的裂紋，但是涂層沒有剝落。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(qiáng)度較高。HF2HF1　圖31　氮化物涂層的典型壓痕照片F(xiàn)ig. 31　Typical indentation image of the nitride coatingsTiAlN涂層的劃痕照片和劃痕試驗(yàn)的摩擦力－載荷曲線如圖32所示，在劃痕末端，劃痕內(nèi)部及邊界處有涂層剝落現(xiàn)象，此時(shí)的摩擦力出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，TiAlN涂層的臨界載荷Lc約為58 N。ab圖32　TiAlN涂層的（a）劃痕照片和（b）摩擦力－載荷曲線Fig. 32　（a）Scratch image and（b）frictionload graph of the TiAlN coatingCrTiAlN涂層和CrSiN的劃痕照片和劃痕試驗(yàn)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。ab圖33　CrTiAlNⅠ涂層的（a）劃痕照片和（b）摩擦力－載荷曲線Fig. 33　（a）Scratch image and（b）frictionload graph of the CrTiAlNⅠcoatingab圖34　CrTiAlNⅡ涂層的（a）劃痕照片和（b）摩擦力－載荷曲線Fig. 34?。╝）Scratch image and（b）frictionload graph of the CrTiAlNⅡcoatingba圖35　CrSiN涂層的（a）劃痕照片和（b）摩擦力－載荷曲線Fig. 35　（a）Scratch image and（b）frictionload graph of the CrSiN coating研制的多元氮化物涂層的臨界載荷Lc≥58 N，比機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8365－ N高一倍。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?！《嘣锿繉拥某煞旨敖M織結(jié)構(gòu)　多元氮化物涂層的成分使用能譜儀測(cè)試氮化物涂層中除氮元素以外的合金元素的原子百分比，涂層的表面成分分析結(jié)果如表32所示。表面成分分析發(fā)現(xiàn)，TiAlN涂層中Ti：Al原子比為54：46。CrTiAlN涂層中Cr：Ti：Al原子比為72：11：17。CrSiN涂層中Cr：Si原子比為92：7。表32　涂層中合金元素的原子百分比 （at.%）Table 32　Atomic percentage of alloy elements in the coatings （at.%）涂 層CrTiAlSiTiAlN－－CrTiAlN－CrSiN－－涂層中合金元素的比例取決于各靶的濺射速率（R），而濺射速率與靶材的濺射率（S）和入射離子電流（Ii）的乘積成正比。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。例如在Ar+離子能量為300 eV時(shí)，、[48]。入射離子電流與靶電流成正比。因此，沉積過程中，靶電流和靶材的濺射速率的不同，造成了涂層中合金元素比例的差異。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?；w與Ti層之間存在擴(kuò)散混合現(xiàn)象。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?；w與Cr層也存在擴(kuò)散混合現(xiàn)象。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。從圖36和圖37可以看出，與TiAlN涂層相比較，CrTiAlN涂層的金屬層與基體間互擴(kuò)散程度較高， μm的混合層，這說明以Cr為主的過渡層比以Ti為主的過渡層更易于與鐵基體進(jìn)行互擴(kuò)散，從而更有利于提高涂層的附著力，這是CrTiAlN涂層的附著性比TiAlN涂層的附著性好的原因之一。涂層與基體之間有一個(gè)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38為CrSiN涂層的橫截面形貌和球坑圖，由橫截面形貌圖可以看出，CrSiN涂層組織致密，無空洞等缺陷，而且沒有濺射沉積涂層常有的柱狀組織特征。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。ab　圖38　CrSiN涂層的（a）橫截面形貌和（b）球坑圖Fig. 38　（a）Cross section and（b）ball crater of the CrSiN coating　多元氮化物涂層的XRD分析X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)現(xiàn)六方結(jié)構(gòu)相的存在，并且涂層有很強(qiáng)的（111）晶面擇優(yōu)取向，其它晶面的衍射峰強(qiáng)度很低，如圖39所示。這是因?yàn)橥繉映练e溫度較低（低于200℃），涂層