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M2高速钢电弧增强放电离子渗氮/氮化物涂层沉积复合工艺与组织性能

M2高速钢,电弧增强放电,离子渗氮,氮化物涂层

    基于电弧增强辉光放电技术，实现了M2高速钢表面低能高密度等离子体近镜面渗氮/PVD氮化物涂层沉积复合工艺。首先，研究了Ar气氛下、N₂气氛下、N₂-H₂混合气氛下，真空室内辅助阳极电流对系统内各粒子发射光谱特性的影响。此外，通过改变等离子体渗氮过程中辅助阳极电流，得到不同的基体离子电流密度，从而研究渗氮离子电流密度对TiN涂层和CrAlN涂层结构与性能的影响规律。高电位辅助阳极的引入，提高了真空室内各粒子的激发和电离。提高辅助阳极电流更有利于N₂的激发和电离。随着辅阳电流增加，基体离子电流密度增大，导致渗氮层的厚度增加。此外，随着辅阳电流增加，渗氮层表面的显微硬度增加。对于离子渗氮/TiN涂层沉积的研究结果表明，当基体电流密度为8.1×10^-3 mA/mm²（对应辅助阳极电流为120 A）时，渗氮层厚度和表面显微硬度分别为62 μm和1580 HV_0.05。TiN涂层呈现出明显的（111）晶面择优取向。在洛氏压痕试验中，复合处理试样表面的径向裂纹源于硬且脆的渗氮层。在划痕试验中，TiN涂层和复合处理试样的膜基结合力（Lc2）分别为81 N、98 N、103 N和150 N。对于离子渗氮/CrAlN涂层沉积的研究结果表明，CrAlN涂层呈现出（200）晶面择优取向。基体经渗氮预处理后，CrAlN涂层的膜基结合力、耐磨性均提高。在划痕试验中，CrAlN涂层和复合处理试样的膜基结合力（Lc2）分别为48 N、70 N、75 N、96 N和105 N。相比CrAlN涂层，复合处理试样PN₄/CrAlN的耐磨性提高2.1倍。对于渗氮时间对CrAlN涂层组织结构与性能影响的研究结果表明，渗氮基体表面的H/E^*与H³/E^*2值的大小介于未渗氮基体和CrAlN涂层之间。与CrAlN涂层相比，复合处理试样的磨损率降低，耐磨性增强；且随着渗氮时间增加，复合处理试样的耐磨性提高，复合处理试样PN_T3/CrAlN的磨损率最小，约为3.9×10^-6 (mm³/N·m)。