沉积气压对氮化钒(VN)涂层微结构及其性能的影响
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
擦学与表面技术． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ４７２８８００７＠ ｑｑ ｃｏｍ．
通信作者： 李助军 （１９８０—）， 男， 博士， 副教授， 主要研究方
向为机械摩擦学与表面技术． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ２７５８８６７０７＠ ｑｑ ｃｏｍ．
随着现代加工制造技术的发展， 传统的硬质合金
和高速钢刀具难以满足现代切削技术的要求， 从而限
０．５，１．０，１．５，２．０
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ θ ／ ℃
４００
Ｔａｒｇｅｔ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉ ／ Ａ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｔ ／ ｍｉｎ
Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｇａｓ
ｓｕｒｅ．Ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＸＲＤ，ＸＰＳ，ＳＥＭ，ｔｈｅ ｆｉｌｍ⁃ｂａｓｅｄ ｂｏｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｓｃｒａｔｃｈ ｔｅｓｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｔｅｓｔｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ
２０２１ 年 ５ 月
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
第 ４６ 卷 第 ５ 期Ｍａｙ ２０２１来自Ｖｏｌ ４６ Ｎｏ ５
ＤＯＩ： １０ ３９６９ ／ ｊ ｉｓｓｎ ０２５４－０１５０ ２０２１ ０５ ０１１
文献引用： 刘怡飞，包改磊，李助军，等．沉积气压对氮化钒（ＶＮ）涂层微结构及其性能的影响［Ｊ］．润滑与密封，２０２１，４６（５）：６８－７４．
制其在加工领域的应用。 涂层刀具是应市场需求发展
起来刀具新产品， 具有优良的综合力学性能， 机械加
工效率及其使用寿命大幅度提高 ［１－２］ 。
离子镀是在真空蒸发镀膜和磁控溅射镀膜技术基础
上发展起来的物理气相沉积技术， 具有沉积速率快、 温
２０２１ 年第 ５ 期
刘怡飞等： 沉积气压对氮化钒 （ ＶＮ） 涂层微结构及其性能的影响
ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ；ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ；ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ａｄｈｅｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
优取向， 表面平整度高； 随着沉积氮气气压变化， 涂层显微硬度和膜基结合力呈抛物线变化趋势， 在氮气气压为 １ ０
Ｐａ 时， 涂层硬度最高为 ＨＶ２２８４， 结合力最大为 ４５ Ｎ， 并具有稳定的摩擦因数， 平均摩擦因数为 ０ ８５。 通过调控沉积
气压， 多弧离子镀技术可以制备出性能更优越的 ＶＮ 涂层。
∗基金项目： ２０２０ 年 “ 攀登计划” 广东大学生科技创新培育项
目 （ｐｄｊｈ２０２０ｂ１１４２） ； 广州铁路职业技术学院校级项目； 广州
铁路职业技术学院大学生创新创业项目．
收稿日期： ２０２０－０３－２６； 修回日期： ２０２０－０６－１９
作者简介： 刘怡飞 （１９８６—）， 男， 实验师， 研究方向为机械摩
数， 对摩材料为 Ｓｉ ３ Ｎ４ 陶瓷球， 直径为 ６ ｍｍ。 试验参数
为： 载荷 ５ Ｎ， 球盘转速 ０ ０５ ｍ／ ｓ， 对摩时间 ３０ ｍｉｎ。
２ 结果与讨论
２ １ 涂层的晶体结构
图 １ 所示为不同 Ｎ２ 气压下所制备的 ＶＮ 涂层的
ＸＲＤ 图谱。 图谱中出现了 ＴｉＣ 与 Ｃｏ 的基底峰和涂层的
Ｎ， 随机测量 １０ 个点并取平均值。 通过划痕仪测试涂
层的膜基结合力， 根据摩擦力曲线斜率变化来判定膜
基结合的临界载荷 Ｌ ｃ ， 每个样品随机测 ３ 次取平均值，
划痕长度 ５ ｍｍ， 压载为 ０～ １００ Ｎ 逐渐加载。 室温下通
过 ＵＭＴ⁃Ｔｒｉｂｏ Ｌａｂ 摩擦磨损试验机测试 ＶＮ 涂层的摩擦因
ＶＮ 涂层各晶面的峰值逐渐增强， 并且没有其他杂质峰
的出现， 表明所制备的 ＶＮ 涂层纯度较高［１１－１２］ 。
１ １ 试样制备
试验采用 １３ ｍｍ × １３ ｍｍ × ３ ５ ｍｍ 的 ＹＴ１５ 硬质合
金刀片作为衬底， 镀膜前先对硬质合金刀片进行抛光，
清洗干净后装炉。 将基底加热到 ４５０ ℃ 并保温 ２ ｈ， 当
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ；３ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉｎｇｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２４０４８，Ｃｈｉｎａ）
ＦＡＴＥＨ 等 ［９］ 采用磁控溅射制备了 ＶＮ 涂层， 发现在
高温环境下 ＶＮ 涂层的摩擦因数由常温的 ０ ４５ 降低
到 ０ ２５。 ＭＵ 等 ［１０］ 采用碳掺杂来改善 ＶＮ 涂层的高温
摩擦学性能， 发现高温下涂层的摩擦因数急剧下降，
ＶＮ 涂层硬度为 ２０ ＧＰａ， 耐磨性不足。
不同的沉积方法、 不同的工艺参数所制备出的
关键词： 多弧离子镀； ＶＮ 涂层； 沉积气压； 结合强度； 摩擦因数
中图分类号： ＴＨ１１７ １
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＶＮ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｂｙ Ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ
ＬＩＵ Ｙｉｆｅｉ １ ＢＡＯ Ｇａｉｌｅｉ ２ ＬＩ Ｚｈｕｊｕｎ １ ＬＩ Ｌｅｉ １ ＬＵＯ Ｘｉｃａｉ １ ＴＩＡＮ Ｃａｎｘｉｎ ３
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｈａｖｅ
（２００）ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｖｅ ｌｏｗ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ⁃ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ
摘要： 为研究沉积气压对 ＶＮ 涂层力学性能和摩擦性能的影响， 采用离子镀制备 ＶＮ 涂层， 利用 Ｘ 射线衍射仪、
扫描电子显微镜等设备检测 ＶＮ 涂层的物相结构、 表面形貌， 采用划痕仪测试基体与涂层的膜基结合力， 采用摩擦磨
损试验机测试涂层的摩擦因数。 结果表明： 随着沉积氮气气压的升高， ＶＮ 衍射峰强度逐渐增强， 具有 （ ２００） 晶面择
ＶＮ 涂层结构、 性能差异较大。 目前， 多弧离子镀低
温度制备 ＶＮ 涂层的研究报道较少， 沉积工艺对多弧
离子镀 ＶＮ 涂层的微观结构及其性能影响的研究尚不
够深入。 本文作者采用多弧离子镀技术， 在 ＹＴ１５ 硬
质合金刀片上制备 ＶＮ 涂层， 系统研究 Ｎ ２ 气压对 ＶＮ
涂层结构、 力学以摩擦性能的影响， 为 ＶＮ 涂层的工
沉积气压对氮化钒 （ ＶＮ） 涂层微结构及其性能的影响 ∗
刘怡飞１ 包改磊２ 李助军１ 李 磊１ 罗锡才１ 田灿鑫３
（１ 广州铁路职业技术学院机电工程学院 广东广州 ５１０４３０ ； ２ 华南理工大学国家金属材料近净成形工程
技术研究中心 广东广州 ５１０６４０； ３ 岭南师范学院物理科学与技术学院 广东湛江 ５２４０４８）
ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ １ Ｐａ，ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ
ＨＶ２２８４，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ４５ Ｎ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ０．８５．Ｔｈｅ
－３
真空度达到 ８× １０ Ｐａ 时， 在 ２ Ｐａ Ａｒ 气压和 － ８００ Ｖ 偏
压下， 对基底进行 ３０ ｍｉｎ 辉光清洗； 然后再用阳极层
用离子源对基底进行 ３０ ｍｉｎ 离子刻蚀； 最后在镀膜前
用 Ｖ 金属离子轰击 １０ ｍｉｎ， 以增强涂层与基体结合力。
使用北京丹普自动控制离子镀膜机镀膜， 镀膜完毕后
Ｃｉｔｅ ａｓ：ＬＩＵ Ｙｉｆｅｉ，ＢＡＯ Ｇａｉｌｅｉ，ＬＩ Ｚｈｕｊｕｎ，ｅｔ ａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｂｙ ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ
ｐｌａｔｉｎｇ［ Ｊ］ ．Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２１，４６（５） ：６８－７４．
降温取出试样。 工艺参数如表 １ 所示。
表 １ ＶＮ 涂层的沉积工艺参数
Ｔａｂｌｅ １ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
Ｖａｌｕｅｓ
Ｔａｒｇｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ
Ｖ（９９ ９９％）
Ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ Ｕ ／ Ｖ
１２０
Ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐ ／ Ｐａ
艺开发提供理论依据。
１ 试验方法
６９
１ ２ 表征与分析
通过 Ｘ 射线衍射仪 （ＸＲＤ） 及 Ｘ 射线光电子能谱
仪 （ＸＰＳ） 测定涂层的微结构及结合能， 采用扫描电
子显微镜 （ ＳＥＭ） 观 测 涂 层 的 表 面 形 貌。 采 用 ＭＨ⁃
５００Ｄ 维氏硬度计测量 ＶＮ 涂层的硬度， 试验载荷 ０ ５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｂｙ
ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ，ｔｈｅ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ ｏｎ ＹＴ１５ ｃａｒｂｉｄｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓ⁃
常用于涂层材料来改进刀具表面耐磨性能， 提高刀具
使用寿命， 引起了广泛的关注 ［６－７］ 。 许蓓蓓等 ［８］ 利用
阴极电弧离子镀制备 ＶＮ 涂层， 研究了不同载荷下涂
层的摩擦磨损行为， 发现因 ＶＮ 涂层韧性不足、 抗塑
性变形 能 力 弱 等 原 因， 随 载 荷 增 加 其 磨 损 率 增 大。
度低、 制备膜层结构致密、 纯度高等优点。 多弧离子镀
是基于冷阴极弧光放电基础上发展起来的一种离子镀膜
技术， 离化率高， 沉积速率快， 得到广泛应用［３－５］ 。
氮化钒 （ ＶＮ） 为面心立方结构， 硬度低， 但具
有自润滑特性， 且具有耐磨性好、 化学稳定性、 热稳
定性和较低的电阻率等特性， 属于高硬度陶瓷材料，
（１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｔｒｏｎｉｃｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１０４３０，Ｃｈｉｎａ；
２ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｎｅａｒ⁃Ｎｅｔ⁃Ｓｈａｐｅ Ｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ
衍射峰， 基底峰的出现可能是因为涂层较薄 Ｘ 射线能
够直接穿过涂层到达基体硬质合金表面所致。 图谱中
还出现了较小的 Ｖ２ Ｎ 取向为 （１１１） 的衍射峰。 在 ＶＮ
的衍射峰中， 有 （１１１）、 （２００）、 （２２０） ３ 种取向， 其
中 （２００） 晶面的峰值最强。 随 着 沉 积 气 压 的 增 大，
通信作者： 李助军 （１９８０—）， 男， 博士， 副教授， 主要研究方
向为机械摩擦学与表面技术． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ２７５８８６７０７＠ ｑｑ ｃｏｍ．
随着现代加工制造技术的发展， 传统的硬质合金
和高速钢刀具难以满足现代切削技术的要求， 从而限
０．５，１．０，１．５，２．０
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ θ ／ ℃
４００
Ｔａｒｇｅｔ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉ ／ Ａ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｔ ／ ｍｉｎ
Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｇａｓ
ｓｕｒｅ．Ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＸＲＤ，ＸＰＳ，ＳＥＭ，ｔｈｅ ｆｉｌｍ⁃ｂａｓｅｄ ｂｏｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｓｃｒａｔｃｈ ｔｅｓｔｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｔｅｓｔｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ
２０２１ 年 ５ 月
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
第 ４６ 卷 第 ５ 期Ｍａｙ ２０２１来自Ｖｏｌ ４６ Ｎｏ ５
ＤＯＩ： １０ ３９６９ ／ ｊ ｉｓｓｎ ０２５４－０１５０ ２０２１ ０５ ０１１
文献引用： 刘怡飞，包改磊，李助军，等．沉积气压对氮化钒（ＶＮ）涂层微结构及其性能的影响［Ｊ］．润滑与密封，２０２１，４６（５）：６８－７４．
制其在加工领域的应用。 涂层刀具是应市场需求发展
起来刀具新产品， 具有优良的综合力学性能， 机械加
工效率及其使用寿命大幅度提高 ［１－２］ 。
离子镀是在真空蒸发镀膜和磁控溅射镀膜技术基础
上发展起来的物理气相沉积技术， 具有沉积速率快、 温
２０２１ 年第 ５ 期
刘怡飞等： 沉积气压对氮化钒 （ ＶＮ） 涂层微结构及其性能的影响
ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ；ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ；ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ａｄｈｅｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
优取向， 表面平整度高； 随着沉积氮气气压变化， 涂层显微硬度和膜基结合力呈抛物线变化趋势， 在氮气气压为 １ ０
Ｐａ 时， 涂层硬度最高为 ＨＶ２２８４， 结合力最大为 ４５ Ｎ， 并具有稳定的摩擦因数， 平均摩擦因数为 ０ ８５。 通过调控沉积
气压， 多弧离子镀技术可以制备出性能更优越的 ＶＮ 涂层。
∗基金项目： ２０２０ 年 “ 攀登计划” 广东大学生科技创新培育项
目 （ｐｄｊｈ２０２０ｂ１１４２） ； 广州铁路职业技术学院校级项目； 广州
铁路职业技术学院大学生创新创业项目．
收稿日期： ２０２０－０３－２６； 修回日期： ２０２０－０６－１９
作者简介： 刘怡飞 （１９８６—）， 男， 实验师， 研究方向为机械摩
数， 对摩材料为 Ｓｉ ３ Ｎ４ 陶瓷球， 直径为 ６ ｍｍ。 试验参数
为： 载荷 ５ Ｎ， 球盘转速 ０ ０５ ｍ／ ｓ， 对摩时间 ３０ ｍｉｎ。
２ 结果与讨论
２ １ 涂层的晶体结构
图 １ 所示为不同 Ｎ２ 气压下所制备的 ＶＮ 涂层的
ＸＲＤ 图谱。 图谱中出现了 ＴｉＣ 与 Ｃｏ 的基底峰和涂层的
Ｎ， 随机测量 １０ 个点并取平均值。 通过划痕仪测试涂
层的膜基结合力， 根据摩擦力曲线斜率变化来判定膜
基结合的临界载荷 Ｌ ｃ ， 每个样品随机测 ３ 次取平均值，
划痕长度 ５ ｍｍ， 压载为 ０～ １００ Ｎ 逐渐加载。 室温下通
过 ＵＭＴ⁃Ｔｒｉｂｏ Ｌａｂ 摩擦磨损试验机测试 ＶＮ 涂层的摩擦因
ＶＮ 涂层各晶面的峰值逐渐增强， 并且没有其他杂质峰
的出现， 表明所制备的 ＶＮ 涂层纯度较高［１１－１２］ 。
１ １ 试样制备
试验采用 １３ ｍｍ × １３ ｍｍ × ３ ５ ｍｍ 的 ＹＴ１５ 硬质合
金刀片作为衬底， 镀膜前先对硬质合金刀片进行抛光，
清洗干净后装炉。 将基底加热到 ４５０ ℃ 并保温 ２ ｈ， 当
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ；３ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉｎｇｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２４０４８，Ｃｈｉｎａ）
ＦＡＴＥＨ 等 ［９］ 采用磁控溅射制备了 ＶＮ 涂层， 发现在
高温环境下 ＶＮ 涂层的摩擦因数由常温的 ０ ４５ 降低
到 ０ ２５。 ＭＵ 等 ［１０］ 采用碳掺杂来改善 ＶＮ 涂层的高温
摩擦学性能， 发现高温下涂层的摩擦因数急剧下降，
ＶＮ 涂层硬度为 ２０ ＧＰａ， 耐磨性不足。
不同的沉积方法、 不同的工艺参数所制备出的
关键词： 多弧离子镀； ＶＮ 涂层； 沉积气压； 结合强度； 摩擦因数
中图分类号： ＴＨ１１７ １
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＶＮ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｂｙ Ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ
ＬＩＵ Ｙｉｆｅｉ １ ＢＡＯ Ｇａｉｌｅｉ ２ ＬＩ Ｚｈｕｊｕｎ １ ＬＩ Ｌｅｉ １ ＬＵＯ Ｘｉｃａｉ １ ＴＩＡＮ Ｃａｎｘｉｎ ３
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｈａｖｅ
（２００）ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｖｅ ｌｏｗ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ⁃ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ
摘要： 为研究沉积气压对 ＶＮ 涂层力学性能和摩擦性能的影响， 采用离子镀制备 ＶＮ 涂层， 利用 Ｘ 射线衍射仪、
扫描电子显微镜等设备检测 ＶＮ 涂层的物相结构、 表面形貌， 采用划痕仪测试基体与涂层的膜基结合力， 采用摩擦磨
损试验机测试涂层的摩擦因数。 结果表明： 随着沉积氮气气压的升高， ＶＮ 衍射峰强度逐渐增强， 具有 （ ２００） 晶面择
ＶＮ 涂层结构、 性能差异较大。 目前， 多弧离子镀低
温度制备 ＶＮ 涂层的研究报道较少， 沉积工艺对多弧
离子镀 ＶＮ 涂层的微观结构及其性能影响的研究尚不
够深入。 本文作者采用多弧离子镀技术， 在 ＹＴ１５ 硬
质合金刀片上制备 ＶＮ 涂层， 系统研究 Ｎ ２ 气压对 ＶＮ
涂层结构、 力学以摩擦性能的影响， 为 ＶＮ 涂层的工
沉积气压对氮化钒 （ ＶＮ） 涂层微结构及其性能的影响 ∗
刘怡飞１ 包改磊２ 李助军１ 李 磊１ 罗锡才１ 田灿鑫３
（１ 广州铁路职业技术学院机电工程学院 广东广州 ５１０４３０ ； ２ 华南理工大学国家金属材料近净成形工程
技术研究中心 广东广州 ５１０６４０； ３ 岭南师范学院物理科学与技术学院 广东湛江 ５２４０４８）
ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ １ Ｐａ，ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ
ＨＶ２２８４，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ４５ Ｎ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗｉｔｈ ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ０．８５．Ｔｈｅ
－３
真空度达到 ８× １０ Ｐａ 时， 在 ２ Ｐａ Ａｒ 气压和 － ８００ Ｖ 偏
压下， 对基底进行 ３０ ｍｉｎ 辉光清洗； 然后再用阳极层
用离子源对基底进行 ３０ ｍｉｎ 离子刻蚀； 最后在镀膜前
用 Ｖ 金属离子轰击 １０ ｍｉｎ， 以增强涂层与基体结合力。
使用北京丹普自动控制离子镀膜机镀膜， 镀膜完毕后
Ｃｉｔｅ ａｓ：ＬＩＵ Ｙｉｆｅｉ，ＢＡＯ Ｇａｉｌｅｉ，ＬＩ Ｚｈｕｊｕｎ，ｅｔ ａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｂｙ ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ
ｐｌａｔｉｎｇ［ Ｊ］ ．Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２１，４６（５） ：６８－７４．
降温取出试样。 工艺参数如表 １ 所示。
表 １ ＶＮ 涂层的沉积工艺参数
Ｔａｂｌｅ １ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
Ｖａｌｕｅｓ
Ｔａｒｇｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ
Ｖ（９９ ９９％）
Ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ Ｕ ／ Ｖ
１２０
Ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐ ／ Ｐａ
艺开发提供理论依据。
１ 试验方法
６９
１ ２ 表征与分析
通过 Ｘ 射线衍射仪 （ＸＲＤ） 及 Ｘ 射线光电子能谱
仪 （ＸＰＳ） 测定涂层的微结构及结合能， 采用扫描电
子显微镜 （ ＳＥＭ） 观 测 涂 层 的 表 面 形 貌。 采 用 ＭＨ⁃
５００Ｄ 维氏硬度计测量 ＶＮ 涂层的硬度， 试验载荷 ０ ５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｂｙ
ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ，ｔｈｅ ＶＮ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ｍｕｌｔｉ⁃ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ ｏｎ ＹＴ１５ ｃａｒｂｉｄｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓ⁃
常用于涂层材料来改进刀具表面耐磨性能， 提高刀具
使用寿命， 引起了广泛的关注 ［６－７］ 。 许蓓蓓等 ［８］ 利用
阴极电弧离子镀制备 ＶＮ 涂层， 研究了不同载荷下涂
层的摩擦磨损行为， 发现因 ＶＮ 涂层韧性不足、 抗塑
性变形 能 力 弱 等 原 因， 随 载 荷 增 加 其 磨 损 率 增 大。
度低、 制备膜层结构致密、 纯度高等优点。 多弧离子镀
是基于冷阴极弧光放电基础上发展起来的一种离子镀膜
技术， 离化率高， 沉积速率快， 得到广泛应用［３－５］ 。
氮化钒 （ ＶＮ） 为面心立方结构， 硬度低， 但具
有自润滑特性， 且具有耐磨性好、 化学稳定性、 热稳
定性和较低的电阻率等特性， 属于高硬度陶瓷材料，
（１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｔｒｏｎｉｃｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１０４３０，Ｃｈｉｎａ；
２ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｎｅａｒ⁃Ｎｅｔ⁃Ｓｈａｐｅ Ｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ
衍射峰， 基底峰的出现可能是因为涂层较薄 Ｘ 射线能
够直接穿过涂层到达基体硬质合金表面所致。 图谱中
还出现了较小的 Ｖ２ Ｎ 取向为 （１１１） 的衍射峰。 在 ＶＮ
的衍射峰中， 有 （１１１）、 （２００）、 （２２０） ３ 种取向， 其
中 （２００） 晶面的峰值最强。 随 着 沉 积 气 压 的 增 大，