摘 要：硬质TiN薄膜广泛用作高速钢刀具的耐磨层，较少用于其他钢种。本文选择W6Mo5Cr4V2、3Cr2W8V和GCr15三种材料用多弧离子设备沉积TiN涂层，测定了涂层的表面硬度、涂层与基体的结合力、TiN涂层的结构及过渡层硬度分布。试验结果证明：只有选择在沉积温度下保持高的硬度及含有较多合金元素尤其是V元素的基体材料，才能获得良好性能的TiN涂层。
关键词：TiN涂层 多弧离子镀 结合力：TiN coatings deposited onto high speed steel（HHS）by physical vapor deposition have successfully been used in metal cutting applications for a number of years.But its use to other materials is studied fewly.The present paper sudied hardnes and adhesion of three materials.The show that if want to acquere good property of TiN coating we must select material that has high hardness on the temperature when TiN coating deposited and that contains more alloy elements especially V.
Abstract
1 前言
多弧离子镀TiN涂层具有摩擦系数小、硬度高、耐磨、耐蚀、耐氧化等一系列优点，并广泛用于高速钢刀具，但在其他材料方面的应用较少。本文选择W6Mo5Cr4V2、3Cr2W8V和GCr15三种材料用多弧离子镀设备在其上沉积TiN涂层，通过试验测定TiN涂层的表面硬度、过渡层硬度、TiN涂层的择优取向以及TiN涂层与基体的结合力，揭示了用多弧离子镀设备沉积TiN涂层时选择基体材料的原则。
2 试验方法
2.1 试验用基体材料的化学成分
试验用基体材料的化学成分见表1。
表1 试验用基体材料的化学成分
| 钢 号 | 化 学 成 分 % | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | W | Mo | V | P | S | |
| W6Mo5Cr4V2 | 0.82 | 0.4 | 0.4 | 4.10 | 6.35 | 4.80 | 2.10 | 0.025 | 0.03 |
| 3Cr2W8V | 0.35 | 0.34 | 0.4 | 2.40 | 8.30 | 0.35 | 0.03 | 0.03 | |
| GCr15 | 0.99 | 0.30 | 0.35 | 1.35 | 0.025 | 0.02 | |||
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2.2 实验用基体材料的热处理工艺和硬度 表2 三种材料的热处理工艺 |
| 材 料 | 淬火温度（℃） | 回火温度（℃） | 回火时间（h） | 回火次数 |
| W6Mo5Cr4V2 | 1230 | 560 | 1.5 | 3 |
| 3Cr2W8V | 1100 | 560 | 1.5 | 2 |
| GCr15 | 840 | 180 | 3 | 1 |
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2.3 多弧离子镀TiN涂层工艺 3 试验结果及讨论 3.1 涂层的显微硬度、结合力及择优取向 表3 三种材料TiN涂层的性能比较 |
| 材 料 | 表面硬度（HV0.025） | 结合力（N） |
| W6Mo5Cr4V2 | 2100 | 75 |
| 3Cr2W8V | 2000 | 40 |
| GCr15 | 2000 | 32 |
| X射线衍射分析在D/MAX-RB转靶X射线衍射仪上进行。TiN在（111）晶面有择优取向，其峰值由大到小排列顺序为W6Mo5Cr4V2、3Cr2W8V和GCr15。 3.2 TiN涂层过渡层中的硬度分布及影响 |
三种材料TiN涂层过渡层中的硬度分布曲线
从图中可见三种材料在距离表面20μm处的硬度相差很大，这和基体材料热处理后硬度高低及在沉积TiN涂层时沉积温度的高低有很大关系。多弧离子镀设备沉积TiN涂层时的沉积温度在450～500℃范围内，这个温度下沉积涂层时对于基体材料的抗回火稳定性的要求是比较高的。对于高速钢而言，虽然金相检验表明沉积温度在300℃以上时距离表面0.1mm以内处有脱碳现象，但基体硬度在所有沉积温度下保持不变［7］。而GCr15确有较大下降。这和材料的化学成分不同即合金元素含量不同从而造成其抗回火稳定性不同是大有关系的。含有较多合金元素的钢可保证其抗回火稳定性好，在沉积温度下保持较高硬度。而在沉积TiN涂层时基体材料的硬度高能保证涂层与基体的结合力好。其原因是基体硬度高，对TiN有一个强的支撑作用，使镀层与基体结合好，这与大多数的研究结果一致。如基体硬度低，则在载荷作用下，硬而薄的涂层易产生变形、开裂以致导致剥落，从而使结合力下降。从本质上来说，硬度首先取决于材料中键的类型与特性，硬度高则内聚能大、键较短。而镀层与基体的结合力，可理解为单位面积上不使镀层金属与基体金属在界面上相分离的zui大作用力。这种作用力主要来自于金属键的作用。金属键合是镀层基体材料结合中zui主要的力。不仅镀层与基体材料在彼此的界面处是靠这种力结合，而且在镀层增厚过程中金属晶格的长大也是靠这种力结合。由于基体的硬度不同，其对TiN涂层的金属键合力不同，硬度越高所施加的金属键合力越大，所以涂层与基体的结合力越好。
4 结论
（1）三种材料TiN涂层的表面硬度相近，但结合力相差很大。
（2）具有强烈TiN（111）择优取向的涂层结合力好。
（3）在沉积温度为450～500℃时能保持高硬度的材料，其TiN涂层结合力好。
（4）选择基体材料时应保证其在沉积温度下具有高硬度，同时含有一定量的合金元素尤其是V，这样才能保证TiN涂层具有好的结合力。
