采用化學氣相沉積法在35CrMo 鋼基表面制備TiC/TiN雙層、TiC/Ti(CN) /TiN和TiC/Ti(CN) /TiN/ Al2O3多層硬質(zhì)涂層，利用掃描電子顯微鏡、X 射線衍射儀、顯微硬度計、多功能表面力學性能試驗儀和摩擦磨損試驗儀測試分析了涂層的組成結(jié)構(gòu)、粗糙度和表面力學性能. 結(jié)果表明: 三種硬質(zhì)涂層表面較均勻、致密，具有高硬度、低摩擦系數(shù)等特點，較大提高了35CrMo 鋼的耐磨擦磨損性能。相比TiC/TiN雙層，多層涂層具有更好的力學和耐磨性能，其中多層TiC/Ti(CN) /TiN 的摩擦系數(shù)最小，耐磨損性能最好，原因主要歸于TiC/ Ti(CN) /TiN 涂層具有較高的顯微硬度( 2559HV) 和良好的膜基界面結(jié)合力(7N) 。

　　35CrMo 合金鋼具有抗拉強度高、沖擊韌性大和耐疲勞等優(yōu)異的機械性能，已大量應(yīng)用于油氣田鉆采工具領(lǐng)域。鉆采工具在使用過程中，經(jīng)常要承受各種拉、剪、磨擦和腐蝕等作用，極易造成材料的損傷，影響工具的使用壽命。由于材料的磨損、腐蝕等破壞過程大都是從其表面開始的，因此在材料表面附上一層強度高、耐磨、抗氧化的涂層材料，完全可以抑制或減緩各種破壞過程的產(chǎn)生、發(fā)展，達到防護的目的。表面硬質(zhì)涂層的發(fā)展為優(yōu)化石油機械系統(tǒng)的摩擦學性能，解決材料磨損提供了一條極具生命力的途徑。

　　以Ti( CN) 、Al2O3 為主的硬質(zhì)涂層具有較優(yōu)異的性能，如Ti( CN) 的高硬度、強韌性和好的耐磨性能，Al2O3 則具有良好的熱穩(wěn)定性和抗高溫氧化能力等，在降低構(gòu)件的摩擦磨損方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是單層、二元復(fù)合膜層對高速負載系統(tǒng)的減磨效果一直不夠理想。除了涂層自身的性能缺陷外，單層膜的致密度較差，生長的涂層通常為柱狀晶結(jié)構(gòu)，含有部分從涂層表面到襯底的疏松微孔，而且單層膜與襯底界面的結(jié)合力也較低，這些存在的問題極大限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用規(guī)模。

　　相比而言，多元、多層涂層技術(shù)是通過多種涂層的復(fù)合化協(xié)同效應(yīng)，在材料表面獲得更高性能的復(fù)合改性層，改善涂層在復(fù)雜環(huán)境，特別是極端條件下的使用性能。根據(jù)Koehler 多層強化模型的基本思想，即多層結(jié)構(gòu)涂層的界面有阻礙位錯的產(chǎn)生和運動的作用，使得多層涂層均具有比單層更好的力學和耐磨性能，而且在組分和結(jié)構(gòu)上具有梯度特性的多層涂層具有更加優(yōu)異的摩擦學特性。

　　目前，國內(nèi)外刀具材料界對Ti(CN) 、Al2O3 的研究較多，但多是在硬質(zhì)合金表面制備，而在鋼基表面沉積這兩種涂層，尤其是包含過渡層的多層涂層的研究工作相對較少，現(xiàn)有文獻采用的方法主要包括離子鍍、熱噴涂、熱化學和溶膠凝膠等。由于這些方法的沉積溫度較低，膜與基體的界面結(jié)合效果不是十分理想，有些方法在涂層沉積后還需進一步熱處理以生成更穩(wěn)定的晶相，增加了工序、成本。相比，化學氣相沉積( CVD) 法是一種應(yīng)用較廣的涂層制備技術(shù)，它是通過原子或分子堆垛沉積生成的可廣泛用于提純物質(zhì)、淀積各種薄膜及涂層材料，具有很好繞鍍性且生長的膜層與基體界面結(jié)合力強,膜層質(zhì)量比較穩(wěn)定，易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)等優(yōu)點。

　　本文采用CVD 法在35CrMo 鋼基表面制備了TiC/TiN 雙層、TiC/Ti (CN) /TiN 和TiC/Ti (CN) /TiN/Al2O3 多層涂層，測試分析了涂層的顯微結(jié)構(gòu)、粗糙度和相組成，比較研究了幾種涂層的顯微硬度、界面結(jié)合力和耐磨性能，分析了影響涂層耐磨性能的原因。

1、試驗

1.1、試樣制備

　　基材選用50 mm × 15 mm × 4 mm 的35CrMo 合金鋼(0# ) ，經(jīng)過研磨、拋光，丙酮超聲清洗及噴砂等預(yù)處理，表面粗糙度Ra 達0.6 um。采用自主研發(fā)的化學氣相沉積反應(yīng)裝置，選取TiCl4、CH4、H2 反應(yīng)源制備TiN，沉積時間為70 min；TiCl4、N2、H2 作為TiC 的反應(yīng)源，沉積時間為25 min；它們的混合用來制備Ti( CN) ，沉積時間為35 min；沉積Al2O3 時，以AlCl3、CO2 和H2 為反應(yīng)源，H2，Ar 為載氣，沉積時間為70 min，上述各種涂層的沉積溫度控制在900~1010 e ，制備出TiC/ TiN 雙層( 1# ) 、TiC/ Ti( CN) / TiN( 2# ) 和TiC/Ti( CN) /TiN/Al2O3( 3# ) 多層涂層。

1.2、試驗方法

　　采用JSM-5600 掃描電鏡( SEM) 觀察涂層的表面及斷面形貌，利用DX-1000 型X 射線衍射( XRD) 儀分析涂層物相組成。用HXD-1000TMB 數(shù)顯顯微硬度計進行顯微硬度測試，采用維氏壓頭，載荷100 g,保壓10 s，測定5 個點取平均值。基體及涂層表面粗糙度、膜基界面結(jié)合力采用MFT-4000 多功能表面力學性能試驗儀測定。在MS-T3000 旋轉(zhuǎn)摩擦試驗機上進行室溫無潤滑摩擦磨損試驗，對磨副為–6mm 的GCr15 鋼球(硬度63HRC) ，分別選取100，200和500 g 載荷，轉(zhuǎn)速400 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑3 mm，時間60 min，磨損試驗前后用丙酮超聲清洗試樣，在電子天平上( 0.1 mg) 稱重記錄試樣的質(zhì)量損失，通過GL-99 型體視顯微鏡觀察磨痕的形貌。

2、結(jié)果與討論

2.1、顯微形貌及表面粗糙度分析

　　圖1 為TiC/TiN 涂層的表面形貌，可看出涂層表面顆粒細小，分布較均勻，但膜層出現(xiàn)了較多微裂紋，原因可能是TiC 涂層本身脆性大，而且其和基體鋼之間的線膨脹系數(shù)有較大差別，在涂層制備過程中，由于溫度的變化產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而僅通過雙層結(jié)構(gòu)不能較好的緩解熱應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)微裂紋，其表面粗糙度大小為0. 2 um。圖2( a) 為TiC/Ti( CN) /TiN 多層的表面形貌，可知涂層表面平整,顆粒大小約3 um，分布均勻，表面粗糙度大小為0.05 um，由圖2( b) 發(fā)現(xiàn)TiC/Ti( CN) /TiN 涂層總厚度約10 um，涂層之間及涂層與基體之間界面清楚且結(jié)合緊密，無孔隙和裂紋出現(xiàn)，界面結(jié)合效果良好。圖3(a) 是TiC/ Ti( CN) /TiN/Al2O3 涂層的顯微形貌,涂層表面較平整，顆粒大小較均勻，表面粗糙度數(shù)值為0. 02 um。圖3( b) 為其截面圖，可以看出涂層總厚度約7 um，涂層與基體界面處沒有出現(xiàn)新相、孔洞等缺陷，界面結(jié)合性能也較高，說明通過多層過渡層能夠較好的緩解涂層與基體之間的組成、結(jié)構(gòu)差異，改善涂層的表面形貌和力學性能。

圖1 TiC/ TiN 涂層的SEM 表面形貌

圖2 TiC/Ti( CN) / TiN 涂層的顯微形貌

圖3 TiC/ Ti( CN) / TiN/ Al2O3 涂層的顯微形貌

結(jié)論

　　(1) 采用CVD 法在35CrMo 鋼基表面成功制備了TiC/TiN、T iC/Ti ( CN) / TiN、TiC/ Ti( CN) /TiN/ Al2O3硬質(zhì)涂層，涂層表面較平整，表面粗糙度小，結(jié)構(gòu)較致密，厚度為7~ 10 um。

　　(2) 和基體相比，經(jīng)表面處理后，其硬度有了大幅提高，最高可達原基體硬度的8 倍。涂層與基體之間的界面結(jié)合力達35 N 以上，其中TiC/ Ti( CN) /TiN 涂層與基體的結(jié)合效果最好，可達70 N。在不同的加載情況下，表面處理后35CrMo 鋼的摩擦系數(shù)均較基體的大幅降低，其中TiC/Ti( CN) / TiN 多層涂層的最小，磨損量最低，耐磨性最好。