微量Al掺杂对TiN微观结构及性能的影响.pdf

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1、材料2013年第18期(44)卷文章编号：10019731(20l3)182668—04微量A1掺杂对TiN微观结构及性能的影响苏永要，王锦标，田亮亮，赵海波，涂铭旌，赵黎宁。，邓涛(1．重庆文理学院材料交义学科研究中心，重庆402160；2．四川大学分析检测中心，四川成都610065；3．中国工程物理研究院机械制造艺研究所，四川绵阳62l900)摘要：采用离子辅助增强磁控溅射与离子蒸发镀果。为此，涂层刀具工作者开展了大量f究工作如往二元组合源设备在高速钢基体沉积出微量A1掺杂的基体表面预沉积过渡层，形成涂层成分、力学性能的梯TiN涂层(AlTiN)，利用扫描电子显微镜、X射线衍射度变化，以

2、提高基底的承载能力，改善膜基结合仪、显微硬度计对涂层的组成成分、相结构、膜基结合力。J，取得了一定的进展。本文采用离子辅助增强力及显微硬度进行了分析；用摩擦磨损实验机及台阶磁控溅射与离子蒸发镀技术的二元组合源设备，在M2仪分析了薄膜的摩擦磨损性能。研究了微量Al掺杂高速钢表面制备微量Al掺杂A1一TiN涂层，对其成对薄膜的微结构及性能的影响。结果表明，TiN涂层分、结构、显微硬度及耐磨损性能等进行了分析，并与中微量Al的存在使涂层的膜基结合力、耐摩擦磨损性TiN涂层进行了对比实验。能得到明显改善。2实验关键词：高速钢；组合源；A1TiN；摩擦磨损中图分类号：TG174．444；TB43文献标

3、识码：A将M2高速钢基材加_L成010mm×3ram的圆形D()I：10．3969／j．issn．10019731．20l3．18．018试样，依次用500和1500的SiC砂纸湿磨并抛光至镜面，然后分别用丙酮、无水乙醇超声波清洗5nlin，干l引言燥后放人真空室。TiN具有高硬度和优良的耐磨损、耐腐蚀性能及镀膜设备为离子辅助增强磁控溅射与离子蒸发镀良好的化学稳定性，是一种理想的刀具涂层材料¨。二元组合源镀膜机，该设备配有4只矩形溅射源及1但随着机械加工领域技术水平的提高和生产成本的控只坩埚蒸发源，町同时实现蒸发镀和磁控溅射功能。制，以及高硬度难加工材料的广泛应用，TiN涂层已不设备顶部配有

4、灯丝辅助离化装置，可有效提高反应物能满足现代加工技术的需要。当前涂层行业已经进入质的离化率。镀膜时，先将真空度抽至5．0×10。Pa，到歼发多元、多层、复合纳米涂层的新阶段。FiA1N涂然后通入Ar并开启灯丝加热到300C左右，为提高膜层具有比TiN更好的抗氧化性能和摩擦学性能I。基结合力，在沉积TiN薄膜前，通过蒸发镀沉积一层但TiAIN涂层的力学性能与高速钢差别巨大，在高速薄Ti层(约100nm)，随后通人工作气体N制备TiN钢基体涂覆TiAlN涂层易产生“薄冰”效应，即表面涂涂层；重复制备TiN涂层过程，同时对钛铝靶进行小层硬度很高，但基体承载能力不足，膜基结合力小，导电流(1A)溅射

5、，制备Al—TiN涂层。具体上艺如表1敛涂层使用过程f，过早脱落，起到应有的保护效所示，不含Al及含铝涂层分别标爪为TiN、A1I、iN。表l涂层工艺参数Table1Parametersofcoatingpreparation样品灯丝电流(A)基片偏压(V)气体流量比(Ar／N)气压(Pa)溅射电流(A)溅射电压(V)镀膜时间(nfin)TiN160l5030／1200．5005()A1TiNl60l503O／12OO．5l6505()用扫捕电子显微镜(SEM，型号：Quanta250)对涂微硬度，载荷0．49N，保载时间15s，测10个点取平均层横断面扫描，测得TiN、A1一TiN试样涂层

6、厚度分别值；采用布氏压痕法评价膜基结合力，载荷147ON，保为1．31、1．15m；采用扫描电子显微镜的EDX附件分载时『日J5s；利用瑞士CSEM公司生产的摩擦实验机，析薄膜成分；用X射线衍射仪(XRD)检测涂层微观相采用销盘式摩擦磨损实验，评价试样耐摩擦性能，载荷结构；用维氏微硬度计(号：TMVP一1)检测试样显2N，滑动速度3cm／s，磨损半径为3Inm，对磨副为*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275323)；重庆巾教委科学技术研究资助项日(KJ121225)；重庆市砌j前沿究计划资助项H(cstc2013jcyjA5oo36)；重庆文理学院科研资助项H(R2012CJ13，

7、Y2012(60)收到初稿日期：2ol3o5—14收到修改稿日期：2o13一O725通讯作者：于锦标作者简介：苏永要(1980～)，男，河南濮阳人，助教，硕t，主要从事材料表面改性及性能研究。苏永要等：微量Al掺杂对TiN微观结构及性能的影响O6mmSiC球，磨损周期10000转；用扫描电子显微3．2显微硬度镜及光学显微镜(型号：BM12一D)观察磨痕形貌及成图2为不同工艺处理后试样显微硬度值。由于涂分；用台