纺织剪刀用W9Mo3Cr4V钢镀TiN薄膜的表面性能

李守英 *，李全安，戴景杰，庄蕾

（1.青岛滨海学院，山东 青岛 266555；2.河南科技大学，河南 洛阳 471003）

纺织机的工况环境湿度大，剪刀刃部区对纺线进行高频次的剪切载荷和剪刀铰接区相互摩擦运动造成剪刀的磨损和腐蚀。纺织剪刀大多选用高硬度的高速钢，采用多次复杂的热处理工艺以提高材料的抗磨损性能，但仍不能满足现代化生产抗磨蚀、抗腐蚀、 高效率的需求。多弧离子镀技术是离子镀技术的一种改进方法，它是把弧光放电作为金属蒸发源的表面涂层技术。多弧离子镀技术具有镀膜速度高，膜层致密度大，膜附着力好等特点[1-2]。本文对纺织剪刀用W9Mo3Cr4V 钢采用多弧离子镀技术进行表面镀TiN的研究，分析了TiN 镀膜对纺织刀片耐磨以及抗腐蚀性能的影响及其作用机理。

1 实验

1.1 镀膜制备

将多个纺织剪刀悬挂在MIP-4-650 型多功能离子镀真空炉的试样台上，弧靶为钛(纯度为99.99%)，抽真空后充氮气到4 × 10-1Pa，加偏压500 V，调占空比70%，镀膜时间20 min。

1.2 耐磨及抗蚀性能测试

分别对镀膜前后试样进行耐磨性能以及抗腐蚀性能测试。耐磨性能采用MS-T3000 型摩擦磨损试验机测试，加载载荷500 kg，加载时间1 min。抗腐蚀性能测试采用CS-350 型电化学工作站以及开口式三电极测试系统，其中研究电极为测试试样(裸露表面10 mm × 10 mm)，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极，扫描速率为1 mV/s，腐蚀液为3% NaCl 溶液。

1.3 微观分析

用JSM-5610LV 扫描电镜观察刀片镀膜后的截面处镀层厚度以及界面结合状况。镀膜试样在D-500 型X 射线衍射仪上测试合金的物相结构，射线源为CuKa1，电流为40 mA，扫描速率为2°/min。

2 结果与讨论

2.1 镀层的物相分析及微观形貌

图1为多弧离子镀TiN 薄膜的XRD 图谱。可见镀膜由大量TiN 与少量Fe2Ti 物相组成。TiN 属于典型的面心立方点阵，晶格常数为0.423 8 nm。晶粒直径按Debye-Scherrer 公式[3]计算：

Dhkl= Kβ / (λsinθ)。式中Dhkl为晶粒直径，K 为晶粒的形状因子(一般取0.94)，λ 为辐射波长，β 为半峰宽，θ 为Bragg 角。取晶面(111)的Dhkl值作为晶粒的直径。经计算，TiN 薄膜的平均粒径为35.4 nm，晶粒细小。

图1 TiN 薄膜的XRD 谱图Figure 1 XRD pattern of TiN thin film

图2为镀TiN 薄膜后在界面处扫描电镜的观察结果。图片明显分为三部分，上部为镶嵌试样用胶木粉，中间光亮层为TiN 薄膜，下部为基体刀片。TiN 薄膜是一结构致密、微晶均匀分布的平整表面，镀层厚度均匀，约为9.07 μm。该试样经过硝酸酒精腐蚀，TiN薄膜亮度很高，基体颜色暗说明TiN 薄膜抗腐蚀能力强。由于多弧离子镀薄膜是由蒸发原子凝聚或附着于基片上形成的，其内部排列结构取决于靶材原子类型、蒸发原子间相互作用及其与基片之间相互作用等因素的影响[4-5]。实验中W9Mo3Cr4V 基材上离子镀TiN 薄膜生长主要是Ti 与N 的原子在基片上先凝聚，然后生长，继续溅射Ti 原子凝聚起来生成三维的Ti 与N 的核；进而Ti 与N 在表面上化合生成TiN 薄膜。离子镀TiN 的界面之所以光滑平整，无明显的过渡层，主要是因为Fe 与TiN 的晶格都具有面心立方的结构[6]。

图2 W9Mo3Cr4V 钢镀TiN 后的界面SEM 形貌Figure 2 SEM morphology of the interface between TiN coating and W9Mo3Cr4V steel substrate

2.2 镀层的耐磨性能

图3为镀TiN 前后的W9Mo3Cr4V 钢在磨损试验中的摩擦因数随时间变化的关系曲线。可以看出：磨损初期，镀前试样摩擦因数约为0.02；镀TiN 后摩擦 因数约为0.1。随着磨损时间的延长，两试样摩擦因数均增大：在0.6 min 内，镀前试样摩擦因数平均值为0.5，磨损波动较大；镀TiN 后摩擦因数平均值为0.2，磨损稳定。磨损初期，镀TiN 后摩擦因数较镀前试样的摩擦因数大，是由于镀TiN 时离子的轰击作用使试样表面光洁度有所降低。磨损后期,镀TiN 工艺的摩擦因数大幅度降低。这是由于试样表面镀TiN 处理后，表面生成了新相TiN，硬度提高使得磨损降低。

2.3 镀层的耐腐蚀性能

图4为试样表面镀TiN 膜前后于3% NaCl 溶液中测得的极化曲线，表1为测得的电化学腐蚀动力学参数。从图4中可以看出，镀TiN 前，试样一直处于活化溶解状态，未出现明显的钝化现象。镀TiN 后，试样在从-0.5 V 进入钝化区，钝化区电流不稳定，略有增加。可见镀后形成的TiN 薄膜提高了试样的耐腐蚀性能。两种试样钝化区不显著的原因在于电解液中存在大量的Cl-，Cl-半径小，穿透能力强，易在电场作用下透过钝化膜形成小孔，破坏钝化膜的保护作用。金属的钝化能力随着自腐蚀电位的降低、过钝化电位的升高及腐蚀电流的减小而提高[7-10]。

图4 W9Mo3Cr4V 钢镀TiN 前后在3% NaCl 溶液中的极化曲线Figure 4 Polarization curves for W9Mo3Cr4V steel before and after TiN platting in 3% NaCl solution

表1 电化学腐蚀测试结果Table 1 Results of electrochemical corrosion test

由表1可看出镀膜TiN 后自腐蚀电位降低、过钝化电位升高并且腐蚀电流减小。镀TiN 前试样的腐蚀速率是镀后试样的3 倍左右，可见镀膜TiN 使合金的耐腐蚀性提高近2 倍。合金镀TiN 后，其表面形成一层致密的保护膜，该保护膜能产生明显钝化现象，提高了合金的过钝化电位，保护合金内部免受腐蚀。这是合金耐腐蚀性能提高的主要原因。

3 结论

(1) 多弧离子镀TiN 获得的薄膜镀层主要是TiN相结构，镀层均匀致密，界面处无明显过渡。

(2) 稳定磨损过程中，镀TiN 薄膜可使摩擦因数从0.5 降至0.2。镀TiN 薄膜大幅度提高了基体的抗磨损性能。

(3) TiN 薄膜是一层致密的保护膜，该保护膜能产生钝化现象，提高了合金过钝化电位，使得基体的抗腐蚀性能提高近2 倍。

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