电弧离子镀制备TiN、CrN、TiCN、AlTiN和TiSiN涂层性能研究

Equipment Manufacturing Technology No.8,2020
电弧离子镀制备TiN、CrN、TiCN、AITiN
和TiSiN涂层性能研究
何诗敏,何世斌,陈震彬，陆惠宏，田灿鑫
(岭南师范院物理与技术院，广东湛江524048)
摘要：电弧离子镀制备TiN(CrN(TiCN(A1T1N和TiSiN广泛应用的硬质涂层，采用XRD、(EM检测涂层的结构及表面磨损形貌，采用显微硬度计、摩擦磨损仪检测涂层的硬度及摩擦系数及电化学工作站分析测试涂层的耐腐蚀性能，得到：TiN、CrN、TiCN、A1TiN和TiSiN涂层均为面心立方结构，CrN硬度2000HV,各种摩擦条件下摩擦系数稳定在0.6左右，自腐蚀电流密度3.2x1076A/c;2。

TiSiN涂层硬度最高3000HV。

TiCN涂层摩擦系数最低，稳定阶段在0.25。

TiN 和AlTiN涂层摩擦系数较大超过0.7O
关键词：硬质涂层；显微硬度;耐磨性y耐腐蚀性
中图分类号汀G117.1文献标识码:A
现代加工制造业飞速发展-机加工效率越来越高,工模具的服役条件越来越严苛,传统工模具表面处理难以满足多样化的技术要求，制约了加工制造业的发展。

物理气相沉积(PVD)硬质耐磨涂层在保有基体性能基础上，进一步提升基体材料使役性能,被广泛应用在工模具表面提升工模具的使用性能［1］，为工模具技术的发展提供了新的思路。

面对当前新的经济，加工制造业在保加工质产质的，要进一步成本，并在此基础上实现更高的经济效益，对人的硬质耐磨涂层提了高的技术要求＞2@。

此，了解工业化涂层的性能，质并满足求的涂层，对提升业的具有要的现实。

PVD硬质耐磨涂层技术的发展，越来越多的涂层材料用工模具表面处理，
择使用来了，用TiN、CrN、TiCN、AlTiN TiSiN涂层用具表面处理［3-8］，其AlTiN用于高的速，TiSiN用于高的高速。

TiN、CrN、TiCN用成型模具模具表面处理［9-I0］o CrN AlTiN涂层可用模具模具的表面处理＞II-I2］，并且CrN 涂层用具有一性的服役环境。

TiNCrN涂层可用发机件表面处理,CrN耐性能更优问。

制硬件条件的限制，相同的涂
文章编号：1672-545X(2020)08-0040-05
层的制造商，相同的涂层设备
的涂层供应，的涂层质，使用来一的。

本成的PVD涂层TiN CrN TiCN AlTiN TiSiN，统涂层的耐性，为人们了并选择使用此涂层提供。

1试验
1.1涂层制备
用面子镀技术，分用Ti (99.5%W Cr(99.8%)、AlTi(33/67)和TiSi(80/20)靶材，在氮气或氮气乙(混气体，高速衬底上制备TiN、CrN、TiCN、AlTiN和TiSiN涂层。

高速钢衬底经化清洗线，次在碱、弱酸溶液超声波除油、除锈清洗处理，经去子水漂洗后，经干燥空气吹干，并在II0!下烘烤5min。

真空室本底真空度为5"I0-3Pa，镀膜温400-450!。

1.2涂层测试
用X射线衍射仪(XRD，Xpert PRO)分析涂层的晶体，发射扫描子显微镜(JSM-76I0F SEM)观察涂层表面磨损貌。

用EDS(EDAX gene­sis7000)分析涂层磨损区域成分。

用HX-I000显微硬计测涂层的显微硬，载荷50g，随机抽取I0个测量并取平均值。

室温下用MS-T3000野擦
收稿日期：2020-05-02
基金项目：湛江非资助科技攻关计划(2019B01080);岭南师范学院创新创业训练项目(2019-879)作者简介:何诗敏(I998-),女，广东人,本科，硬质耐磨涂层。

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《装备制造技术＞2020年第8期
磨损仪测试涂层的摩擦系数8对磨材料为氧化铝球8
载荷400 g 和500 g ,转速500 rpm 和600 rpm ,摩擦
半径为2 m ,对磨时间60 min 。

室温下采用CHI650E
辰华电化学工作站，在模拟海水（3.5%NaCl ）中进行 电化学实验，采用三电极法进行，其中饱和甘汞电极
为参考电极,1片为辅助电极。

电化学极化实验电压
范围为-1~1 V ,电压扫描速率为5 mV/s 。

2结果及分析
2.1涂层的晶体结构
图 1 为 CrN 、TiN 、TiCN 、AlTiN 和 TiSiN 涂层的
XRD 图谱，结果表明涂层晶体结构为。

TiN 、
TiCN 涂层 （111）：
,TiCN 涂层（111）衍射TiN （111）；
偏移,可能为C 原子替 N 原子所，TiCN 涂层 明 的TiC 衍射
, 明C 替
晶 在。

CrN w TiSiN
涂层为晶结构。

AlTiN 涂层结晶明显，为非晶或
晶结构。

40 50 60 70
2!（ deg.）
图 1 CrN 、TiN 、TiCN 、AITiN 和 TiSiN 涂层的 XRD 图谱
2.2涂层的力学性能
图 2 为 CrN 、TiN 、TiCN 、AlTiN 和 TiSiN 涂层的显。

TiSiN 涂层 3 000 HV ,AlTiN 涂层
硬度2 800 HV ,TiCN 涂层硬度2 500 HV ,TiN 涂层 硬度2 300 HV ,CrN 涂层硬度2 000 HV 。

o
o o o 0 53 2o o o
o o o O 5O 2 11 >H )
SS3UP.WH
- TiSiN _ AlTiN
TiCN 厶 丄
mH 5000
图2 CrN 、TiN 、TiCN 、AITiN 和TiSiN 涂层的显微硬度
TiCN 涂层 TiN 涂层 , C
TiN 涂层中
的TiCN 涂层，C 原子 TiN 中的N 原子，
TiN 网。

在AlTiN 晶体 中,
Al 原子 TiN 中的
Ti 原子 晶。

晶
的涂层， 晶 ，一，晶体的 问，所 对
TiN , AlTiN 涂层 、磨 ㈣,AlTiN 涂层
3000 HV ,为 晶结构所（图1 ）。

TiSiN 涂
层的 晶 晶 结构 其 的 原
因问。

2.3涂层的摩擦性能
图3所,为在不同摩擦
下（400 g 、500
rpm , 500 g 、500 rpm , 400 g 、600 rpm ） 测 的 CrN 、
TiN 、TiCN 、AlTiN 和TiSiN 涂层的摩擦系数 磨损时
间化图谱。

7 6 5 4 3 2 1
a a a a a a o luQQgJQOO
Uogo
-S
H
luaogJQOO
U
-210-S S
500
1000
1500 2000 2500 3000 3500
Wear time/s
luaogJQOO
U
-21
0-S S
500 1000 1500
2000 2500 3000
3500 4000
Wear time/s
（b ）不同磨损条件下TiN 涂层摩擦系数随磨损时间变化曲线
（c ）不同磨损条件下TiCN 涂层摩擦系数随磨损时间变化
（续下图）
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luQogJQOO Uogo -S
H
l
l
o
o
o
o
o
o
o
o
o 2 a
luQogJQOO Uogo -S
H
6
a
Wear time/s
(E)不同磨损条件下AlTiN涂层摩擦系数随磨损时间变化曲线
05001000150020002500300035004000
Wear time/s
(e)不同磨损条件下TiSiN涂层摩擦系数随磨损时间变化'线
图3a中，CrN涂层摩擦系数在0.6左右,在不同
磨损条件下,与对磨材料磨合时间短,磨损过程中摩擦系数稳定，没有较大的波动。

在500rpm转速下, 400g载荷下CrN的摩擦系数比在500g载荷下的摩擦系数高。

在400g载荷下,500rpm转速下CrN的摩擦系数比600rpm转速下的摩擦系数低。

图3b 中，TiN涂层与对磨材料的磨合时间超过1500s,摩擦2000s后摩擦系数趋于平缓，随载荷、转速增加,摩擦系数增大。

图3c为不同磨损条件下,TiCN涂层摩擦系数随磨损时间变化曲线，经1000s磨合时间后，摩擦系数趋于平缓，在1000s~2500s之间摩擦系数波动较大,2500s后摩擦系数趋于平缓且波动不明显。

不同磨损条件下,TiCN涂层摩擦系数大小保持一致，在0.22左右。

图3E为AlTiN涂层摩擦系数与对膜材料磨合时间在1500s,在500rpm磨损转速下，随磨损载荷由400g增大到500g,摩擦系数减小,磨损2000s后摩擦系数趋于平缓,且波动较小。

在400g载荷,600rpm转速下,AlTiN涂层摩擦系数波动较大。

图3e为不同磨损条件下TiSiN涂层摩擦系数随磨损时间变化曲线，在400g载荷,500 rpm转速磨损条件下,TiSiN涂层摩擦系数在磨合阶段波动比较大，随着磨损时间增长，逐渐趋于稳定。

在500g载荷,500rpm转速下TiSiN摩擦系数磨合时间短，摩擦系数稳定，在磨损时间超过3000s,摩擦系数急剧增大，直至测试结束。

在400g载荷, 600rpm转速下TiSiN涂层摩擦系数磨合时间短,在磨损时长1500s前，摩擦系数值稳定在0.8左右。

在磨损时间超过1500s时，摩擦系数变大，在磨损测试结束时摩擦系数值稳定阶段数值0.8。

由图3,TiCN涂层的摩擦系数最小。

CrN涂层比TiN涂层摩擦系数稳定。

TiCN涂层磨合时间较长,AlTiN涂层TiN涂层的摩擦系数最大。

AlTiN 涂层与TiSiN涂层摩擦系数随磨损时间变化波动大。

不同的涂层摩擦系数随磨损时间变化的与涂层的磨损有。

图4为CrNzTiNzTiCNzAlTiN和TiSiN涂层的磨损,CrN涂层的磨损滑，磨痕较浅，没有明显的黏着物，磨损边界没有明显的磨堆，为的磨磨损。

TiN涂层磨损较为光滑,磨痕上有不明显的，为磨损过程中摩擦
致,TiN磨痕有大的Fe，为磨损后，致，磨损为磨磨损。

TiCN 涂层的磨损比较滑，有明显的，为磨损过程中涂层大在后的磨损过程中,
到致何。

C滑，在摩擦稳定阶段，TiCN涂层摩擦系数明显低，磨损为磨削磨损与磨同。

AlTiN涂层的磨痕，磨损为着磨损磨磨损同凹。

TiSiN涂层的磨损为黏着磨损与磨磨损磨在磨损边界的堆。

不同的磨损,定了各涂层对磨化铝时不同的摩擦系数变化趋。

39>!m
图4CrN、TiN、TiCN、AITiN和TiSiN涂层的
磨损形貌(500g,500rpm)
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图5为不同磨损条件下TiSiN涂层磨损形貌图，在400g载荷，500rpm和600rpm磨损转速下, TiSiN涂层磨痕边缘都有少量的磨屑堆积，在600 rpm转速下磨痕边缘有明显的犁沟和少量粘附作用造成的涂层剥落。

在500rpm转速下,500g载荷下涂层磨损更严重，有大量因粘附作用造成的涂层剥落和清洗可见的犁沟，磨损边界有较多的磨屑堆积。

有磨损形貌可以判断，在400g载荷,500rpm磨损转速下,TiSiN涂层磨损机制为正常磨削磨损。

在400g 载荷，600rpm磨损转速下，TiSiN涂层磨损机制以磨削磨损为主，夹杂有粘附磨损和磨粒磨损。

在500g 载荷,500rpm转速下,TiSiN涂层以粘附磨损为主，夹杂有磨粒磨损。

在不同的磨损条件下造成了TiSiN涂层不同的磨损机制，最终摩擦系数差别较大(图3e)。

图5不同摩擦条件下TiSiN涂层的磨损形貌图
2.4涂层的腐蚀性能
图6为CrN、TiN、TiCN、AlTiN和TiSiN涂层极化曲线。

由Tafel曲线
，如表1。

1.0
0.8
0.6
0.4
£0.2
0.0
d-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
1E-91E-81E-71E-61E-51E-41E-30.01
Log i/A（A/cm2）
图6CrN、TiN、TiCN、AITiN和TiSiN涂层的腐蚀极化曲线
表1材料自腐蚀电位与自腐蚀电流密度
涂层V?A
CrN-0.66 3.2E-6
TiN-0.59 3.04E-5
TiCN-0.36 3.31E-6
AlTiN-0.62 1.23E-5
TiSiN-0.41 2.52E-5 TiCN涂层出现多次钝化现象，是TiCN成分
结构所致。

CrN和TiSiN涂层具有明显的钝化现象, TiN和AlTiN涂层没有钝化现象出现。

涂层在化现出的和的
，则涂层的叫由图6、1可知，TiN C的TiCN，大，
,。

CrN涂层
,最小，也有较好的。

3结束语
用制CrN、TiN、TiCN、AlTiN 和TiSiN化涂层系了涂层的结、、摩擦系数
(1)CrN最低2000HV,各种摩擦条件下摩擦系数在0.6,,
3.2!10"A/cm2。

TiSiN涂层最高3000HV,耐腐蚀性能较差。

TiCN涂层摩擦系数最，在0.25,。

TiN和AlTiN涂层摩擦系数较大0.7,较差。

2)CrN、TiN和TiCN涂层摩擦系数在不同的磨损条件下，差别不大，明涂层用制较，可多下用AlTiN和TiSiN涂层在不同磨损条件下，摩擦系数差别较大，明涂层较大，可在最下用
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Properties of TiN,CrN,TiCN,AlTiN and TiSiN
Coatings Deposited by Cathodic Arc ion Plating
HE Shi-min,HE Shi-bin,CHEN Zhen-bin,LU Hui-hong,TIAN Can-xin (School of Physics and Technology,Lingnan Normal University,Zhanjiang Guangdong524048,China)
Abstract:The TiN,CrN,TiCN,AlTiN and TiSiN hard coatings were deposited by cathodic arc ion plating.The microstructure and surface wear topography of the coatings are characterized by XRD and SEM,and the mechani­cal properties,friction properties and corrosion resistance tested by micro-hardness tester,wear tester and elec­trochemical workstation.The hardness of CrN coatings was2000HV and the friction coefficient was about0.6un­der various friction conditions,and the self-corrosion current density is3.2#10-6A/cm2.The hardness of TiSiN coating was3000HV.The friction coefficient of TiCN was about0.25which is the lowest.The friction coefficient of TiN and AlTiN coatings was larger than0.7.
Key words:hard coatings;micro-hardness;wear resistance;corrosion property
44。