摘要：采用多弧离子镀技术在渗氮过后的50BA钢表面制备了CrAlN涂层;然后采用显微硬度测试仪及摩擦磨损试验机测试基体、渗氮层及涂层的力学和摩擦性能;最后采用扫描电镜(SEM)对涂层表面形貌进行表征，观察试样磨损形貌，并分析其磨损机理。结果表明：较之于渗氮层和基体，所制备的CrAlN涂层硬度最高，比基体的硬度提高了5.2倍;涂层的磨损程度明显最低，50BA钢表面的质量明显得到改善，耐磨性得到了极大提升。
关键词：多弧离子镀;渗氮层;CrAlN涂层;硬度;耐磨性
多弧离子镀膜表面改性是在高真空条件下利用弧光放电技术使炉内气体和镀膜材料发生离化并轰击靶材，使靶材离子得到足够能量脱离靶材，并在基体上沉积形成一种高结合度和致密均匀的薄膜层[1]。近年来，采用多弧离子镀技术进行表面改性的应用越来越广泛。陈颢等[2]采用多弧离子镀技术在316L不锈钢上制备了CrCN涂层，在强化相Cr7C3和碳化物等多种强化作用下，CrCN涂层的硬度和耐摩擦磨损性能得到了显著的提高。陈彦军等[3]采用多弧离子镀技术在316L不锈钢基底表面制备了CrN、CrAlN、CrN/Cr等3种多层氮化铬基硬质涂层，发现3种涂层均表现出良好的摩擦学性能和较低的磨损率。50BA碳素结构钢的强度较高和淬透性较高，常在兵器零部件上使用，然而在使用过程中难免容易碰到腐蚀，磨损等问题，因此提高50BA钢表面质量就显得非常重要。周志明等[4]利用强流脉冲电子束对50BA钢进行表面改性，发现经过50次脉冲处理后，其硬度和耐磨性得到了最大化的提高。CrAlN涂层[5-11]是目前研究较为广泛的一种氮化物涂层，具有较高的硬度和耐磨性能。以往学者研究都是基于Cr、Al、Ti等合金元素利用多弧离子镀技术对钢进行表面改性。50BA钢基体强度不高，如果直接进行多弧离子镀涂层，在使用过程中容易脱落，因此本文对50BA钢离子渗氮处理后再进行多弧离子镀技术而制备CrAlN涂层，研究了渗氮处理和多弧离子镀CrAlN涂层的显微硬度和磨损性能，以期为工业生产应用提供参考。
1试验材料及过程
试验采用的基体试样厚度为5mm、直径为准20mm的50BA钢圆片，依次对试样进行等离子渗氮和多弧离子镀技术镀膜处理。多弧离子镀设备的主要参数为：真空度3.9×10-3Pa，炉内温度450℃，辅助气体有Ar和N2，脉冲偏压-100V，镀膜时间60min，CrAl靶弧流60A。
采用HVS-1000型数显显微硬度计对样品进行表面显微硬度测试，试验参数为：保荷时间10s，载荷取50N，每个样品测量7次，结果取平均值。采用直径为准6mm的Si3N4陶瓷球在HSR-2M型高速往复微摩擦试验机对样品进行摩擦磨损性能测试，试验参数为：载荷200N、摩擦时间60min、往复滑动位移10mm。采用JSM-6460LV扫描电镜(SEM)对磨痕的表面微观形貌进行观察。
2试验结果与分析
2.1显微硬度
图1为经过不同表面处理后50BA钢的表面显微硬度。原始试样的表面显微硬度平均值为310HV;经过渗氮处理过后，渗氮层的硬度平均值有所提高，达到了787HV。经过多弧离子镀技术处理后，CrAlN涂层的硬度平均值最高，达到了1942HV。可见，渗氮层与CrAlN涂层的硬度平均值分别比基体试样的提高约1.5倍和5.2倍。由图1可知，基体经过渗氮处理过后，渗氮层的硬度有所升高。这是因为在氮化过程中，N与Fe、C发生反应，在金属表面生成了一种连续的氮化物层，造成其硬度的升高。经过多弧离子镀制备的CrAlN涂层相比较于基体和渗氮处理过后的渗氮层，其硬度得到了很大程度的提升。造成这种情况的原因可能是随着Al的加入，晶格常数逐渐减小，材料晶粒尺寸先减小后增大，一定量的Al可以利用晶粒细化来提高涂层抵抗变形的能力;并且晶格常数小的膜层受拉应力，在膜层的生长方向上形成交变应力场，使得位错运动受阻，导致涂层强化。因此，CrAlN涂层硬度的提高是晶格畸变和晶粒细化共同作用的结果[11-14]。
2.2摩擦磨损性能
不同表面处理后50BA钢的摩擦磨损变化曲线如图2所示。由图2可见，基体的平均摩擦系数为0.46，渗氮层的平均摩擦系数为0.55，CrAlN涂层的平均摩擦系数为0.40。在磨损的开始阶段，由于表面不平整，导致摩擦副与膜层并不是直接接触，所以摩擦系数较小，但随着试验的进行，表面的影响因素忽略不计，摩擦系数开始趋于稳定[15]。
2.3微观形貌
图3为CrAlN涂层的微观表面形貌。从图3可看到，CrAlN涂层的表面较平整，组织相对致密，但是存在大量的白色大颗粒，使得涂层的表面质量和致密性有所下降。大颗粒出现是因为在利用多弧离子镀技术镀膜的过程中，靶材表面溅射出来的大熔滴在试样表面停留形成的[16]。
图4为表面磨痕的SEM照片，图5为Vision电脑软件模拟获得的磨损宽度照片。从图4可知，从左到右磨痕宽度逐渐变窄、磨损深度逐渐变浅。由Vision电脑软件分析测得基体磨痕宽度为473.3μm，深度最深;氮化层磨痕宽度为384.5μm，深度次之;CrAlN涂层磨痕宽度为264.3μm，深度最浅。由此可推知，经过渗氮处理和多弧离子镀技术处理过后，50BA钢试样耐磨性依次得到了一定程度提高，试样磨损程度依次降低，并且CrAlN涂层的耐磨效果最为显著。
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为进一步探讨基体、渗氮层和CrAlN涂层的摩擦磨损机理，图6为50BA钢表面磨痕的微观SEM照片。结合图4和图6可知，基体表面上存在较大和较多的剥落坑，由此可推知，基体表面的主要磨损机制为磨粒磨损和剥落现象的粘着磨损的混合形式。经过渗氮处理过后的表面表现的比较平整，但其表面上有明显的犁沟现象和少许白色硬质颗粒。由此可推知，渗氮处理过后的表面主要磨损机制为磨粒磨损，磨损程度有所减轻。多弧离子镀技术处理过后的表面则表现的比较平整，只存在尺寸较小的剥落坑，由此可推知，多弧离子镀技术处理过后的表面主要磨损机制也为磨粒磨损，但相对于渗氮处理过后的表面更好，磨损程度进一步减轻，50BA钢表面的质量明显得到改善，耐磨性得到了极大提升。
3结论
(1)渗氮处理后，50BA钢的平均显微硬度达到了787HV，多弧离子镀CrAlN涂层的平均显微硬度达到了1942HV，相对于基体试样，渗氮层与CrAlN涂层的硬度平均值分别提高了约1.5倍和5.2倍。
(2)经过渗氮处理和多弧离子镀技术处理过后，50BA钢试样表面硬质颗粒的存在形式得到了改善，并且经过多弧离子镀技术处理过后的50BA钢试样表面改善最为明显。从微观形貌可以看出，磨痕中剥落现象和撕裂现象逐渐消失，磨损深度逐渐变浅，磨损宽度逐渐变窄，经过渗氮处理和多弧离子镀技术处理后，50BA钢试样耐磨性依次得到了更大程度提高，试样磨损程度依次减轻。——论文作者：谭培林1,周志明1,2,涂坚1,胡瀚杰3,孙青云3,陈全龙3,曾宪君3,谢洪权4
