第２９卷第６期 ２０１１年ｌ２月 江 西 科 学 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ。２Ｏｌｌ ＪＩＡＮＣＩｒＸＩ ＳＣＩＥＮＣＥ 文章编号：１００１—３６７９（２０１１）０６一ｏ７４９一Ｏ３ 渗氮／ＰＶＤＴｉＮ涂层对４２ＣｒＭｏ钢组织和性能的影响 魏仕勇 ，熊少阳 ，付青峰 ，陈志宝 （１．江西省科学院应用物理研究所，江西南昌３３００２９；２．上海海洋大学爱恩学院，上海２０１３０６） 摘要：采用渗氮＋物理沉积ＴｉＮ涂层的复合表面处理技术，对４２ＣｒＭｏ钢进行表面强化处理。通过对复合表面 处理后的４２ＣｒＭｏ钢进行显微组织观察和性能测试，结果表明，４２ＣｒＭｏ钢表层组织和性能分别受渗氮及ＰＶＤ 工艺和渗碳层与涂层界面之间的结合力影响。此外，表层组织硬度呈现明显的梯度结构，外表层ＴｉＮ涂层硬 度最高可达２ ２００ ＨＶ ０＿ｌ以上，此层深度在１—３ｐ，ｍ，而中间渗氮层硬度达７５６．１ＨＶ０ｌ１，深度在１０ ｍｉｌｌ左右。 关键词：渗氮；ＰＶＤＴｉＮ涂层；４２ＣｒＭｏ钢 中图分类号：ＴＧ１７４．４４４ 文献标识码：Ａ Ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ／ＰＶＤＴｉＮ Ｃｏａｔｉｎｇ Ａｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ４２ ＣｒＭｏ Ｓｔｅｅｌ ｏｎ ｔｈｅ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＷＥＩ Ｓｈｉ—ｙｏｎｇ ，ＸＩＯＮＧ Ｓｈａｏ—ｙａｎｇ ，ＦＵ Ｑｉｎｇ—ｆｅｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｚｈｉ—ｂａｏ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００２９ ＰＲＣ； ２．Ａｉａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１ ３０６ ＰＲＣ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：４２ＣｒＭｏ ｓｔｅｅｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｙ Ｔｈｅ Ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ＋ＰＶＤ． ＴｉＮ ｃｏａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔ— ｍｅｎｔ ｏｆ ４２ＣｒＭｏ ｓｔｅｅｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｍｉｃｒｏ— ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ４２ＣｒＭｏ ｓｔｅｅｌ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ Ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｕｃｔｕｒｅ ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｍｉｃｒｏｓｔｕｃｔｕｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ＴｉＮ ｃｏａｔｉｎｇ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｉｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｆ ２ ２００ ＨＶ０１ ａｂｏｖｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｔｈ ｉｎ １—３ Ｉｘｍ，ｂｕｔ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｏｎｇ ｐｅｒｍｅａ— ．ｂｉｌｉｔｙ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｓ ａｂｏｕｔ ７５６．１ ＨＶ０１，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｉｎ ａｒｏｕｎｄ １０ ｍｍ． ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ，ＰＶＤＴｉＮ Ｃｏａｔｉｎｇ，４２ＣｒＭｏ Ｓｔｅｅｌ ０ 引言 相沉积（ＰＶＤ）ＴｉＮ涂层是应用最广泛的一种表面 强化技术［２］。由于ＴｉＮ涂层具有高硬度、高粘着 随着现代工业的发展，对各种机械设备零件 强度、低摩擦系数、好的抗腐蚀性的特点，已广泛 表面性能的要求也越来越高，在高速、高温重载、 应用于数控加工、航空制造、汽车生产等领域 。 磨损、腐蚀介质等条件下的工作零件，常常因其表 ２０世纪９Ｏ年代以来，出现了一系列新型的高性 面局部损坏而使整个零件失效报废¨Ｊ。物理气 能防护涂层，而“渗氮／ＰＶＤ”复合涂层就是其中 收稿日期：２０１１—０８—２９；修订日期：２０１１—１０—０９ 作者简介：魏仕勇（１９７８一），男，江西永丰人，硕士研究生，助理研究员，主要从事金属材料及表面强化等方面的研究 工作。 基金项目：江西省科学院青年科技创新基金（２００８１２２８），江西省科学院国家预研项目。 ・７５０・ 江西科学 ２０１１年第２９卷 的一种 Ｊ。事实上，早在１９８３年Ｋｏｒｈｎｅｎ 等就 已经提出了把等离子氮化与离子镀工艺结合起 来。近十几年来，通过基体的热化学预处理来提 高硬质防护涂层性能的技术越来越受到关注，从 而产生了一种称为复合处理的新方法。例如，为 ２试验结果与分析 了增强基体对涂层的机械支撑，采用由渗氮和随 后的离子镀ＴｉＮ和ＣｒＮ涂层的复合处理工艺。此 处复合涂层是指物理气相沉积涂层与其它的表面 处理工艺或涂相结合，形成一种带过渡层（或中 间层ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）的双层涂层 。 。目前ＴｉＮ多元涂 层、多层涂层由于工艺的复杂性、昂贵的设备造 价、高的成本还难以形成广泛的工业应用。而 一 轷黜 和硬度梯度分布情况，结果见图ｌ所示。试验所 一 一 用载荷为１００ ｇ，保载时间为１５ ｓ。由图１可见，２．１硬度分析 用显微硬度计测定了４２ＣｒＭｏ钢硬化层深度 距离表面２ ｍ左右处，ＴｉＮ涂层硬度可以达到 ２ ２７６．４ ＨＶ。．．，延伸至渗氮层硬度可达７５６．１ ＨＶ。 ，硬度开始突降；但从距离表面１０ ｍｍ处，随 着深度的增加，硬度下降很快，表现为硬度梯度较 陡。涂层耐磨性的提高 ，这主要是由于渗氮处 理提高了基体的表面硬度，从而增强了对ＴｉＮ涂 层的机械支撑。 “渗氮／ＰＶＤＴｉＮ”复合涂层由于工艺的易实现性和 良好的应用前景，正在受到研究人员的逐渐重视。 本文采用“渗氮／ＰＶＤ”复合处理技术对４２ＣｒＭｏ 钢进行ＴｉＮ镀膜处理，研究了该技术对４２ＣｒＭｏ钢 组织和性能的影响。 二）ｕＵ｛ ＇ ｑ＿ ＿ ＣＯＯ 。’ ・ ｑ ｑ Ｉ ； 。 一。 ． 。 Ｉｌ 试验方法 将已渗氮处理后的４２ＣｒＭｏ钢试样，按标准 清洗工艺将试样清洗后装炉。在国产ＴＧ－４Ｂ多弧 离子镀膜机上进行真空离子镀膜ＴｉＮ涂层，镀膜 ｊ 图１ ４２ＣｒＭｏ钢硬化层深度和硬度梯度分布 ２．２组织分析 工艺参数设置见表ｌ。 表１镀膜工艺参数 项目 真／Ｐａ 对零件断裂部位取样进行金相显微组织分 咖，０ Ｃ／ｍｉｎ 压 夺／Ｐａ ／Ｖ析，用４％酒精溶液侵蚀试样显微组织。图２ 为４２ＣｒＭｏ钢渗氮回火后的显微组织，从图２（ａ） １５０—２００ ２５０—３０ｏ ｌＯ～１５ 中可以看出原始基体组织为铁素体，图２（ｂ）中为 ４２ＣｒＭｏ钢心部组织，可以分析出其组织为回火索 氏体，这将导致该区域的强度和硬度下降。而图 ２（ｃ）为外部渗氮层组织，可以明显看出一层渗氮 组织，这层组织作为涂层中间层组织，连接着基体 与ＴｉＮ涂层组织，还可以看出，渗氮过程中存在一 层脱碳层，这层组织的出现将对复合涂层的结合 力产生有害作用，因此复合涂层结合力的强弱很 大程度上受渗氮层组织界面结构的影响。 钛离子轰击 朕压 ５ ９ ９ １０ ～×１０－３ １１ ５ １０ ５ ｘｌ０－２８００～１× ～ ０００ ３３０～３８０ ２～５ ～ ～ ～．． ．１．２ １．５ １８０ ２２０ ４００ ３０～４０ 用ＨＸＤ一１０００数字显微维氏硬度计测量样品 的硬度；ＳＥＭ在日本Ｘ－６５０扫描电镜上观察镀膜表 面形貌，在Ｌａｋａ显微镜下观察渗碳层和基体组织。 （ｄ＿）基体组织 （ｂ）次表层组织回火索氏体 ５００ｘ （ｃ）渗氮层组织 图２ ４２ＣｒＭｏ钢渗氮回火后的显微组织 第６期 魏仕勇等：渗氮／ＰＶＤＴｉＮ涂层对４２ＣｒＭｏ．钢组织和性能的影响 ・７５ １・ 渗氮层的制备可用气体渗氮、液体渗氮或离 了裂纹移动路径，因此大大增加ＴｉＮ结合力，提高 子渗氮等工艺，也可使渗氮和涂层沉积在同一系 了有效硬化深度。 ● ＾统中原位合成。但不论应用何种工艺，均是在预 渗氮时形成扩散层组织（基体组织＋ ），比表面 ３ 结论 出现连续白亮层（８或￡＋ ）组织要好。因为表 （１）采用渗氮／ＰＶＤＴｉＮ复合表面处理技术， 面的连续氮化物白亮层中的８一Ｆｅ：一。Ｎ相是亚稳 制备出的复合涂层能有效提高工模具的性能，可 态的，如在此表面直接沉积ＴｉＮ系涂层，由于沉积 以提高工模具表面硬度５０％以上，表面硬度达到 时热循环的作用，Ｎ从８一Ｆｅ 一，Ｎ扩散出来，使其 ２ ２００ ＨＶ０ｌ１以上，达到了预定目标。 氮的浓度降低，将导致８一Ｆｅ 一，Ｎ向＾ｙ 一Ｆｅ Ｎ转 （２）在真空离子镀膜过程中，渗氮中间层组 变，会在表层形成双相化合物（ ＋￡）。在此双 织在复合涂层中起到强化效应，对整个复合涂层 相混合结构中，由于不同相间弱的界面结合及其 的结合力影响极大，因此必须优化复合涂层中渗 两相间不同的线膨胀系数及弹性模量，使双相化 氮层的结构，使渗氮层的表面不含化合物层、晶界 合物层容易盟生裂纹，将导致结合力降低 Ｊ。因 上没有氮化铁沉淀物和无脱碳层现象。 此，作为渗氮一离子镀复合涂层的渗氮强化层，宜 （３）整个复合涂层的硬度呈现梯度结构，硬 于获得扩散层组织，尽可能不要出现连续的氮化 度由表至里逐渐降低。 物白两层。 图３为物理沉积ＴｉＮ涂层表面组织，从图３ 参考文献： 中可看出，ＴｉＮ涂层表面分布着许多液滴 、凹坑和 ［１］ 郑胥侠．刀具在高速切削时的磨损机理研究［Ｊ］．机 针孑Ｌ。液滴和凹坑的尺寸大小不一，最 的凹坑 械制造与自动化，２００９，（６）：４６—４８． 尺寸约为６—８ Ｉｘｍ。这与电弧放电时阴极弧斑区 ［２］ 胡鹏飞，张华．刀具硬质涂层的发展现状及展望 材料的碎裂、崩塌飞离和微滴飞溅现象有关。 ［Ｊ］．工具技术，２００９，４３（１１）：２９—３２． ［３］ 赵玉玲，丰平，张晓明．涂层硬质合金结构及材料 的研究进展［Ｊ］．中国陶瓷，２００９，４５（４）：３—９． ［４］刘海浪，羊建高，黄如愿．硬质合金涂层刀具研究进 展［Ｊ］．凿岩机械气动工具，２００９，（２）：５２—５９． ［５］ 张瑛，杨俊峰，方前锋．硬质及超硬涂层的研究现 状及发展趋势［Ｊ］．建筑材料，２００９，（３３）：６６—６７． ［６］Ｈｓｉｅｈ Ｊ Ｈ，Ｔａｎ Ａ Ｌ Ｋ，Ｚｅｎｇ Ｘ Ｔ．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ Ｔｉ—ｂａｓｅｄ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ『Ｊ１．Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２０１（７）：４０９４—４０９８． 图３ ＰＶＤＴｉＮ涂层表面形貌 ［７］李晖，许洪斌，张津，等．３２Ｃｒ ＭｏＶ钢氮化后离 通过等离子氮化和ＴｉＮ复合，其涂层的结合 子镀ＴｉＮ的摩擦磨损研究［Ｊ］．热加工工艺，２００５， 力得到提高 Ｊ，这由于Ｔｉ过渡层与渗氮层中的Ｎ （２）：３２—３３． ［８］ Ｂａｒｓｈｉｌｉａ Ｈ Ｃ，Ｓｕｙａ Ｐｒａｋａｓｈ Ｍ，Ｊａｉｎ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｒｕｔ— 在镀膜过程中发生了反应扩散，使渗氮基体与Ｔｉ ｔｕｒｅ，ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｈｔｙ ｏｆ ＴｉＡ１Ｎ ａｎｄ ｎａｎｏ－ 过渡层之间界面结合增强，从而提高了复合涂层 ｌａｙｅｒｅｄ ＴｉＭＮ／ＣｒＮ ｍｕｈｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ｖａｃｕｕｍ， 的结合力，此外渗氮层作为中间硬化层的效应， ２００５，７７（２）：１６９—１７９． ＴｉＮ裂纹的扩展只有在基体界面上才能进行，延长
