tin、tialn和tintialn多层涂层的结构和性能研究

《tin、tialn和tintialn多层涂层的结构和性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第23卷增刊V01．23Supplement硬质台金cEMENTEDCARBlDE2006年9月Sep．2006TiN、(Ti，A1)N和TiN／(Ti，A1)N多层涂层的结构和性能研究王社权1。陈利1。尹飞1。李佳2(1．株洲钻石切削刀具股份有限公司，湖南，株洲，412007；2．中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南，长沙，410083)摘要借助EPMA、XRD、SEM、纳米压痕，划痕仪和切削实验研究了采用磁控溅射在硬质合金基体上沉积的TiN、∞，灿)N单层和TiN／(Ti，A1)N多层涂层的组织结构和力学性能。研究表明：TiN涂层的晶粒形貌为典

2、型的喇叭121结构，呈(111)生长织构；(Ti，AI)N涂层为平直的柱状晶结构，呈(200)生长织构；TiN／(Ti，AJ)N多层涂层形成了TiN、(Ti，Aa)N交替的调制结构。TiN／(Ti，A1)rq多层涂层具有更高的硬度，与基体更好的结合力和更好的切削性能。关键词涂层硬质合金硬度切削性能高速切削和干式切削等加工技术的发展有力地推动了制造业的技术进步，刀具硬质涂层材料性能的提高是其关键技术之一旧。高硬度和优良的抗氧化能力是刀具涂层的重要性能指标。以TiN为代表的陶瓷硬质薄膜已广泛应用于刀具涂层并取得巨大成功湖。在TiN薄膜基础上加入金属元素

3、(如AI、Cr、Zr等)可以进一步提高薄膜的硬度和抗氧化性，其中∞，AI)N薄膜的硬度(约33GPa)和高温抗氧化能力(约900。fi)，均较TiN薄膜有很大提高，成为目前最常用的刀具涂层材料[7-Ol。0"i，A1)N涂层的优势是在切削过程中由于热量的作用在涂层表面形成一层致密的、粘结性强的AI：0，保护膜并阻止氧进一步扩散至涂层里层，从而合金具有抗高温氧化性【10-131‘另外，口i，A1)N涂层的热传导率低，切削过程中热量被被加工材料的碎屑带走，使基体内的热应力降低，因此刀具可在更高的切削速度下工作。然而在低速和断续切削时由于(Ti，AI)N

4、涂层的脆性大、摩擦系数高，TiN涂层则表现出比fri，M)N涂层更好的切削性能。为了适应材料表面综合性能的要求，多元多层涂层已经成为涂层研究的重要发展方向，引起人们极大的关注。采用两种或多种不同材料经过适当配合组成复合涂层很好的弥补单一渡层的缺陷。经复合的两种膜层材料，其某些性能指标可以比其中的每种组元材料的性能都好睁161。通过交替沉积化学性质和力学性能不同的两种材料可以提高涂层的硬度和强度07-191。此外，不同性质的薄膜会改善涂层的耐腐蚀性、耐磨性、绝热性、电导率及基体和涂层之间的结合力1141。本文通过对比TiN、mAI)N单层和TiN／(

5、Ti，AI)N多层涂层，研究了各种涂层的微观组织及力学性能1实验方法1．1涂层制备方法用传统的粉末冶金方法制备TNMGl20408型号的硬质合金刀片。采用磁控溅射方法在抛光的硬质合金基体上分别沉积TiN、ffi，AI)N单层和TiN／(Ti，A1)N多层涂层，其中TiN／(Ti，AI)N多层涂层的制备采用交替的Ti靶和Ti、Al合金靶，Ti、Al合金靶材的Ti、Al原子比为5：5。1．2涂层性能测试采用EPMA分别测量(Ti，A1)N单层涂层和TiN，fri，A1)N多层涂层中口i，AI)N层的Ti、Al原子比；采作者简介：王社权11973一)．男

6、．株洲钻石切削刀具股份有限公司高级工程师．中南大学粉末冶金研究院在读博士。￥●书{

7、!学l}{

8、I科带坐料带螺材

9、l}≯薯凑硬质合金第23卷用XRD分析TiN、口i，AI)N单层和TiN／(Ti，AI)N多层涂层的相组成；采用SEM观察三种涂层的截面组织结构；采用辅助以EDX支持的纳米压痕测量涂层的硬度；采用划痕仪评估涂层和基体的结合情况。1．3切削实验检验涂层切削性能的重要手段就是测量后刀面的磨损量。用1NMGl20408型号的刀片连续切削不锈钢来比较涂层的耐磨性，切削参数如下：vc=220m／s，f--0．2mm／r，ap---0．2mm。后刀

10、面的磨损量每隔三分钟被测量一次，当磨损量超过0．3mm时，认为刀片失效。通过断续切削45#钢材的试验来检验涂层的抗冲击性能，被加工工件为开了四条槽的圆柱型钢材。切削参数如下：r=350r／min，f=O．2mm／r，ap=0．2mm。刀尖的磨损量超过0．75ram时，认为刀片失效，通过计算刀尖的冲击次数来评估其抗冲击性能。2实验结果和分析2．1涂层性质用EPMA测得(Ti，AI)N单层涂层中Ti、Al原子比(轻元素N除外)为Ti0．53A10．47N、复合涂层中口i，AI)N层的Ti、Al原子比为Ti0．55A10．45N，均和靶材的Ti、Al原子

11、比大致相当。从图l的亚稳体系瓜N—A1N相图可以看出，随Al含量不同，口i，AI)N涂层结构不同。Ti、Al原子比大于4：