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引  言

滾動(dòng)軸承是轉(zhuǎn)動(dòng)類機(jī)械設(shè)備不可或缺的重要基礎(chǔ)零部件之一，在服役過程中其表面承受著周期性交變載荷、沖擊和摩擦磨損作用，工況環(huán)境十分惡劣。由表面磨損引起的軸承精度降低成為滾動(dòng)軸承最主要的失效形式。隨著機(jī)械設(shè)備不斷朝著高速化、綠色化、高效化方向發(fā)展，軸承的服役工況愈發(fā)惡劣，對(duì)軸承性能提出了更高要求。為了提高軸承表面的耐磨性能，延長軸承的服役壽命，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量有關(guān)軸承鋼表面滲氮、離子注入、電沉積、物理氣相沉積、熱噴涂等表面改性與表面涂層的研究工作。

 

物理氣相沉積作為一種綠色低碳的表面涂層技術(shù)，包括蒸發(fā)鍍、磁控濺射、電弧離子鍍等方法，在電子信息、航空航天、核電、汽車、太陽能、醫(yī)療器械等高端制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其在軸承上的應(yīng)用也備受關(guān)注。其中，磁控濺射TiN涂層的硬度高，耐磨性好，但TiN涂層與GCr15軸承鋼的結(jié)合強(qiáng)度低，雖然可以通過電子束輻照后處理提高TiN涂層與軸承鋼基體的結(jié)合力，但工藝控制嚴(yán)格。與磁控濺射相比，電弧離子鍍沉積的涂層具有更好的結(jié)合性能，因而更適用于鋼質(zhì)基體表面涂層的制備。電弧離子鍍制備的TiN涂層結(jié)合力可達(dá)82N，同時(shí)其摩擦因數(shù)低、硬度高，因此軸承表面的耐磨性能大幅提高。采用電弧離子鍍方法在M50高溫軸承鋼表面制備TiN涂層后，與 40CrNiMoA鋼表面鍍銀層摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)低至0.1左右，尤其是在大接觸載荷條件下，其低摩擦因數(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯，與無涂層軸承鋼相比，表面制備TiN涂層的軸承鋼的耐磨粒磨損性能得到顯著提高。相比于TiN涂層，TiAlN三元涂層具有更高的硬度、更好的耐磨性能和抗氧化性能，其在切削刀具領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，推測(cè)也可以應(yīng)用于軸承鋼表面以提高軸承的耐磨性 能。然而，現(xiàn)有研究表明，采用磁控濺射方法 在軸承鋼表面制備的TiAlN三元涂層的結(jié)合性能和耐磨性能較在硬質(zhì)合金和高速鋼表面制備的 TiAlN涂層低。另外，除耐磨性能外，抵抗沖擊載荷破壞的能力也是軸承的重要性能指標(biāo)?；诖俗髡卟捎秒娀‰x子鍍方法在軸承鋼表面沉積TiN和TiAlN涂層，對(duì)比研究了2種氮化物涂層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、抗沖擊性能和耐磨性能，研究結(jié)果可為高性能軸承的制備提供試驗(yàn)參考。

 

1、  試樣制備與試驗(yàn)方法

 

在AS720型硬質(zhì)涂層系統(tǒng)中采用電弧離子鍍方法在GCr15軸承鋼基體表面分別沉積TiN和TiAlN涂層?；w為油淬+回火態(tài)，淬火溫度為850℃，保溫時(shí)間為1h，回火溫度為160℃，保溫時(shí)間為4h?；w尺寸為5mm×12mm×18mm，表面經(jīng)打磨、拋光處理，最后清洗干凈。采用氬離子對(duì)基體表面進(jìn)行刻蝕，進(jìn)一步去除表面吸附的雜質(zhì)，隨后加熱至400 ℃后沉積涂層。在沉積TiN涂層和TiAlN涂層時(shí)，分別使用一對(duì)純鈦靶和一對(duì)Ti40Al60靶作為蒸發(fā)源，弧電源工作時(shí)的功率為2kW，爐內(nèi)工作氣體為氮?dú)?，工作壓力?Pa，基體偏壓為-40V，沉積時(shí)間為 80min。

 

采用JSM-IT500型掃描電子顯微鏡觀察涂層的表面形貌，并用其附帶的Oxford型X射線能譜儀(EDS)分析涂層微區(qū)成分。采用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成，采用銅靶Kα射線，工作電壓為40kV，工作電流為40mA，掃描范圍為30°~70°，掃描步長為0.02°。采用HV-1000型維氏硬度計(jì)測(cè)涂層的硬度，載荷為 0.098N，保載時(shí)間為15s，每個(gè)試樣測(cè)5次取平均值。采用壓痕法利用Rockwell型硬度計(jì)表征涂層的結(jié)合性能，載荷為588N，在掃描電子顯微鏡下觀察壓痕形貌，對(duì)照德國工 程師手冊(cè)（VDI3198)對(duì)涂層的結(jié)合情況進(jìn)行評(píng)級(jí)。在參照GB/T1732-2010標(biāo)準(zhǔn)自制的落球沖擊試驗(yàn)裝置上對(duì)涂層進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，將質(zhì)量為3.5g、直徑為10mm的陶瓷球從1m的高度自由下落，撞擊放在 正下方的試樣表面，在 MR2000型光學(xué)顯微鏡下觀察沖擊前和經(jīng) 20，30，40次沖擊后試樣表面沖擊坑處的涂層損傷情況。采用MFT-4000型多功能材料表面性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層試樣和基體試樣進(jìn)行往復(fù)干摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨件為直徑6mm的 GCr15鋼球，試驗(yàn)載荷為9.8N，行程為5mm,磨損速度為200mm.min-1，磨損時(shí)間為60min，采用ContourGT型光學(xué)輪廓儀測(cè)磨痕的尺寸并計(jì)算體積磨損量；用掃描電子顯微鏡觀察磨痕形貌，并用EDS對(duì)磨痕表面進(jìn)行微區(qū)成分分析。

 

2、  試驗(yàn)結(jié)果與討論

 

1、微觀結(jié)構(gòu)

 

由圖1可知，采用電弧離子鍍方法在軸承鋼基體上制備的2種涂層表面平整。TiN涂層表面凸浮顆粒、微孔等缺陷較少；而TiAlN涂層表面微孔和顆粒較多，最大顆粒尺寸達(dá) 2μm。這種顆粒缺陷稱為液滴(圖1中箭頭所指位置)，這種現(xiàn)象在含鋁涂層中十分明顯，這是因?yàn)殇X的蒸發(fā)溫度低于鈦(壓力1 Pa時(shí)鋁的蒸發(fā)溫度為1272 ℃，鈦的蒸發(fā)溫度為1737℃)，在TiAl靶表面微熔池蒸發(fā)時(shí)，鋁優(yōu)先以液滴狀脫離靶面，最終在基體上冷凝形成顆粒。由EDS分析得到，TiN涂層微區(qū)成分 (原子分?jǐn)?shù)/%)為48.3Ti，51.7N，而TiAlN涂層為19.5Ti，31.6Al，48.9N。TiN涂層中鈦與氮的原子分?jǐn)?shù)比近似為1：1，符合TiN相的原子化學(xué)計(jì)量比(1∶0. 37~1∶1. 2)。TiAlN涂層中鈦+鋁與氮的原子分?jǐn)?shù)比也近似為1∶1，同時(shí)鈦與鋁的原子分?jǐn)?shù)比與靶材中二者含量之比接近。

圖 1  不同涂層的表面微觀形貌

 

由圖2可知，TiN涂層中除了基體Fe的衍射峰外，還存在面心立方結(jié)構(gòu)的TiN(111)晶面和TiN(200)晶面的衍射峰，且TiN(200)晶面的衍射峰強(qiáng)度為TiN(111)晶面的數(shù)十倍，這表明TiN涂層生長時(shí)發(fā)生了明顯的擇優(yōu)取向。除了基體Fe的衍射峰外，TiAlN涂層只有一個(gè)較明顯的衍射峰，對(duì)應(yīng)TiAlN(200)晶面。TiAlN晶體通常被認(rèn)為是TiN晶體中的部分鈦原子被鋁原子替代所形成，本質(zhì)上與TiN的晶體結(jié)構(gòu)相同，但是由于鋁原子半徑小于鈦原子半徑，TiAlN晶體的晶格常數(shù)略小于TiN晶體的晶格常數(shù)，因而TiAlN(200) 晶面的衍射峰 峰位相對(duì)于TiN(200) 晶面衍射峰峰位向大角度方 向發(fā)生了明顯的偏移。TiAlN涂層的唯一(200) 晶面衍射峰也說明TiAlN涂層在生長過程中也發(fā)生了擇優(yōu)取向。涂層的結(jié)晶取向取決于應(yīng)變能和表面能的競爭結(jié)果。根據(jù)Wullf理論，晶體生長是其總表面能趨于最小的過程，對(duì)于面心立方結(jié)構(gòu)晶體，(200) 晶面表面能最低，因此TiN和TiAlN涂層以(200) 晶面擇優(yōu)生長。

 

圖 2  不同涂層的 XRD譜

 

2、硬度和結(jié)合性能

 

TiN涂層和TiAlN涂層的硬度分別為 2060.3，3390.8HV，為基體硬度(689.5HV)的3.0倍和4.9倍?？梢?，淬火+低溫回火后軸承鋼的表面硬度遠(yuǎn)低于氮化物涂層的硬度，同時(shí)在鋁原子的固溶強(qiáng)化作用下，TiAlN涂層的硬度顯著高于TiN涂層。

 

由圖3可知，TiN涂層壓痕周圍無任何剝落，壓坑內(nèi)及壓坑周圍均出現(xiàn)了少量微裂紋，結(jié)合等級(jí)為HF1，這是表征結(jié)合強(qiáng)度的最高等級(jí)，說明涂層與軸承鋼基體結(jié)合非常良好。另外，TiN涂層壓痕邊緣處出現(xiàn)了下塌式的嚴(yán)重塑性變形，這可能是由于TiN涂層硬度不足難以支撐壓頭的下壓力而發(fā)生的。TiAlN涂層壓坑周圍也未發(fā)生剝落，壓坑內(nèi)出現(xiàn)了細(xì)長的裂紋并延伸至壓坑外圍；除了徑向裂紋外，壓痕外圍還出現(xiàn)了2~3 圈環(huán)形裂紋，表明TiAlN涂層脆性較大。TiAlN涂層的結(jié)合等級(jí)為HF2，說明涂層與軸承鋼基體的結(jié)合也較好。

 

 

圖 3  不同涂層表面的壓痕形貌

 

涂層中的內(nèi)應(yīng)力是影響涂層結(jié)合性能的決定性指標(biāo)，包括本征應(yīng)力和熱應(yīng)力。通常情況下，本征應(yīng)力遠(yuǎn)小于熱應(yīng)力，因此涂層的內(nèi)應(yīng)力可由熱應(yīng)力估算。涂層熱應(yīng)力σ的計(jì)算公式如下 :

 

式中：Ec為涂層的彈性模量；νc為涂層的泊松比；αc，αsub分別為涂層和基體的熱膨脹系數(shù)；T，T0分別為涂層沉積溫度和冷卻后的溫度。

 

涂層的沉積溫度為400 ℃，涂層冷卻后的溫度為25 ℃，軸承鋼基體的熱膨脹系數(shù)參考高速鋼取11.7×10-6K-1，TiN涂層和TiAlN涂層的熱膨脹系數(shù)分別為9.35×10-6，7.4×10-6K-1，2種涂層的彈性模量均取 400GPa，泊松比取0.23，計(jì)算得到TiN和TiAlN涂層的熱應(yīng)力分別為0.46，0.84GPa。由此推斷，較大的殘余熱應(yīng)力導(dǎo)致TiAlN涂層與軸承鋼基體的結(jié)合性能較差 。

 

3、抗沖擊性能

 

由圖4可知，經(jīng)過20次沖擊后，TiN涂層和TiAlN涂層表面均產(chǎn)生了輕微的塑性變形，沖擊變形區(qū)局部表面有輕微擦傷點(diǎn),隨著沖擊次數(shù)的增加，表面擦傷點(diǎn)增多，但涂層均未出現(xiàn)剝落和開裂現(xiàn)象，表明這2種涂層的抗沖擊性能良好。

 

圖4  不同次數(shù)沖擊前后不同涂層的表面形貌

 

4、 耐磨性能

 

由圖5可知，基體和2種涂層的摩擦因數(shù)均呈先迅速增大后小幅降低再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。GCr15軸承鋼基體的平均摩擦因數(shù)為0.43，TiN涂層和TiAlN涂層的平均摩擦因數(shù)分別為0.42，0.36?？梢姡练e氮化物涂層后軸承鋼表面的摩擦因數(shù)降低。

 

圖 5  基體和不同涂層的摩擦因數(shù)曲線

 

由圖6可見，TiN涂層表面磨痕寬度較小，磨痕中出現(xiàn)了幾處明顯的磨損條帶，計(jì)算得到的體積磨損量為1.26×10-3mm3。TiAlN涂層表面磨痕寬度較大，但是深度很淺，這是因?yàn)門iAlN涂層的硬度高，對(duì)磨球被磨損得較快，與涂層之間的磨損區(qū)域尺寸較大，所以 TiAlN涂層表面磨痕寬度較大而深度較淺，其體積磨損量僅為0.54×10-3mm3。軸承鋼基體表面磨痕的寬度與TiAlN涂層相當(dāng)，但是其磨痕區(qū)域形成了大量的溝壑，這是因?yàn)檩S承鋼硬度較低，形成的磨屑容易在軸承鋼表面劃下犁溝，其體積磨損量高達(dá)1.51×10-3mm3?？芍?，TiAlN三元涂層的耐磨性能更佳。

圖 6  不同涂層及基體的磨痕宏觀形貌

 

由圖7和表1可知：TiN涂層磨痕中存在很淺的犁溝，犁溝區(qū)域(位置1)的成分主要為鈦、氮元素，鐵、鉻元素含量很少，說明該區(qū)域的涂層仍然完好；磨損條帶區(qū)域高低不平，表面十分粗糙，該區(qū)域(位置2)以鐵、鉻元素為主，說明該區(qū)域的涂層幾乎全部剝落或被磨損。TiAlN涂層磨痕中僅存在一些淺的犁溝，磨痕中間區(qū)域相對(duì)光滑，上下邊緣區(qū)域相對(duì)粗糙，這是因?yàn)樵谀Σ聊p過程中磨損產(chǎn)生的 磨粒向邊緣位置堆積。TiAlN涂層磨痕中間(位置3)和邊緣區(qū)域(位置4)的成分基本相同，均以氮、鋁、鈦元素為主，鐵元素含量極少，未檢測(cè)到鉻元素，表明TiAlN涂層磨痕區(qū)域的涂層仍然完好。軸承鋼基體表面磨痕中犁溝較深，磨痕區(qū)域粗糙，基體表面發(fā)生了十分嚴(yán)重的磨粒磨損。TiN和TiAlN涂層表面形成了較淺的犁溝，磨損機(jī)制雖為磨粒磨損，但磨損程度較輕，其中 TiAlN涂層表面犁溝更淺，且涂層未發(fā)生剝落，耐磨性能更好。綜上，利用電弧離子鍍工藝在軸承鋼表面制備的TiAlN涂層的結(jié)合性能和抗沖擊性能與TiN涂層相當(dāng)，硬度和耐磨性能均高于TiN涂層，因此TiAlN涂層更適用于提高軸承鋼的表面耐磨性能。

 

圖 7  不同涂層及基體的磨損微觀形貌

 

表1 圖7中不同位置的EDS分析結(jié)果

 

3. 結(jié) 論

 

采用電弧離子鍍方法在軸承鋼基體上制備的TiN和TiAlN涂層表面平整，表面均存在少許液滴缺陷，其中TiAlN涂層表面液滴缺陷更多；TiN和TiAlN涂層均為面心立方結(jié)構(gòu)晶體，均以(200) 晶面擇優(yōu)生長。

 

TiN涂層和TiAlN涂層的硬度分別為2060.3，3390.8HV，為軸承鋼基體硬度(689.5HV)的3.0倍和4.9倍。TiN和TiAlN涂層與軸承鋼的結(jié)合性能良好，結(jié)合力等級(jí)為HF1~ HF2，40次沖擊試驗(yàn)后TiN和TiAlN涂層表面均未出現(xiàn)剝落和開裂現(xiàn)象，抗沖擊性能良好。

 

TiN涂層和TiAlN涂層與軸承鋼對(duì)磨時(shí)的平均摩擦因數(shù)分別為0.42，0.36，體積磨量分別為1.26×10-3，0.54×10-3mm3，均低于基體；基體表面發(fā)生十分嚴(yán)重的磨粒磨損，磨痕區(qū)域存在大量深度較大的犁溝，TiN和TiAlN涂層表面形成了較淺的犁溝，磨損機(jī)制均為磨粒磨損，其中TiAlN涂層表面犁溝更淺，磨損程度更輕。