TiAlN复合刀具涂层的制备及切削性能研究

1摘 要本文利用多弧离子镀技术在钨钢表面沉积了 TiAlN 涂层，并选择最佳工艺参数制备具有 TiAlN 涂层的钨钢刀具。采用 X 射线衍射仪、扫描电镜及能谱仪、显微硬度计、划痕仪、摩擦磨损实验及切削实验研究了 TiAlN 涂层的组织结构、力学性能、摩擦磨损性能及其刀具的切削性能，揭示了 N2 流量对 TiAlN 涂层的结构、硬度、涂层/基体结合强度和摩擦磨损性能的影响规律，分析了具有 TiAlN 涂层的钨钢刀具的切削失效机理。通过对比不同 N2 流量下 TiAlN 涂层的 XRD 图谱可知，在较高气压下，薄膜组织变得致密，结晶好，柱状晶明显，因此衍射峰更明显。随 N2 流量的逐渐增大，薄膜颗粒先增大后减小。这是因为在高的 N2 流量下粒子碰撞与散射现象加剧，导致小颗粒偏离轨道，到达基体表面的颗粒能量减小，颗粒的迁移速率降低，成核数量减少，颗粒粗大。随 N2 流量的增加，薄膜和基体的结合力呈先增后减的趋势，当氮气流量为 150sccm 时，TiAlN 薄膜的膜基结合力最高，达到38N，TiAlN 涂层在压头的作用下形成鱼骨状的褶皱，表现出较强的脆性，并且在划痕末端出现涂层出现大块的涂层脱落，涂层的剥落形式为粘结剥落。当 N2流量为 150sccm 时，试样表面的磨痕较窄较浅，具有更好的摩擦学性能，这是由于此时膜基结合力最强，其主要磨损机制为磨粒磨损与粘着磨损。TiAlN 涂层在干摩擦条件下其摩擦系数约为 0.350.45 之间，且随 N2 流量的增大，试样表面涂层的摩擦磨损系数逐渐减小，表面涂层在干摩擦条件下的主要粘附大量的磨屑、氧化物与涂层剥落损伤。以钨钢（YG6X）为基体，TiAlN 涂层硬质合金刀具在切削速度为 560r/min条件下进行车削不锈钢试验，研究表明，PVD 涂层硬质合金的失效过程为：首先从切削刃口处的涂层开始脱落，然后涂层与基体共同磨损，在切屑的粘结作用下，涂层进一步发生剥落，基体会发生氧化磨损，最后基体在粘结磨损和氧化磨损的共同作用下快速磨损。关键词：多弧离子镀；TiAlN 涂层；显微硬度；摩擦磨损性能；切削性能TiAlN 复合刀具涂层的制备及切削性能研究2AbstractTiAlN coating was deposited on tungsten steel surface by multi-arc ion plating technology, and the optimum process parameters were selected to prepare tungsten steel tool with TiAlN coating. Using X-ray diffraction, scanning electron microscope and energy spectrometer, micro hardness tester, scratch tester, friction and wear experiment and cutting experiment of TiAlN coatings was studied organizational structure, mechanical properties, friction and wear performance and cutting performance of a tool, reveals the N2 flow structure and hardness of TiAlN coatings, the coating/substrate bonding strength and the influence law of friction and wear performance, analyzes the cutting tungsten steel cutter with TiAlN coatings failure mechanism.By comparing the XRD map of TiAlN coating under different N2 flows, it can be seen that, under the high pressure, the film tissues become dense, crystallized, and the columnar crystals are obvious, so the diffraction peak is more obvious. With the increase of N2 flow, the film particles increased and then decreased. This is because the particle collision under high flow of N2 and scattering phenomenon, lead to small particles off track, reach the surface of the substrate particle energy decreases, and the particle migration rate decreased, the decrease in the number of nucleation and grain bulky. With the increase of N2 flow rate, the adhesion strength of the film and substrate showed a trend of increase after decreases first and when the nitrogen flow rate is 150 SCCM, highest TiAlN film of film adhesion, thirty-eight n, TiAlN coatings under the action of pressure head form herringbone fold, showed a greater brittleness, and in the end of the scratch coating appears large peeling coating, coating spalling flake form for bonding. When N2 flow rate for 150 SCCM, grinding crack on the surface of the specimen is narrow shallow, has better tribological performance, this is because the 3strongest film adhesion, the main wear mechanism is abrasive wear and adhesive wear. TiAlN coating under dry friction condition between the friction coefficient of about 0.35 0.35, and with the increase of N2 flow, coating the surface of the sample coefficient of friction and wear gradually decreases, and the main adhesive coating under dry friction condition a lot of wear debris, oxide with coating spalling damage.Tungsten steel (YG6X) as matrix, TiAlN coated carbide cutting tools in cutting speed of 560 r/min turning of stainless steel under the condition of experiment, research has shown that the failure process of the PVD coated carbide as follows: first of all, from the cutting edge of the coating began to fall off, then coating and matrix wear together, under the action of the chip bonding, coating spalling occurs, further matrix can produce oxidation wear, finally base on adhesion wear and oxidation wear under the joint action of rapid wear.Keywords: multi-arc ion plating,TiAlN coating, microhardness, friction and abrasion performance, cutting performance.TiAlN 复合刀具涂层的制备及切削性能研究45目录摘 要 .1Abstract.21 绪论 .61.1 引言 .61.2 多弧离子镀技术 .61.2.1 多弧离子镀的原理与特点 .61.2.2 多弧离子镀的工艺参数 .71.3 TiAlN 涂层的研究现状 .71.4 本课题研究的内容及意义 .82 实验材料与实验方法 .92.1 实验材料 .92.2 实验方法 .92.3 实验所用设备及仪器 .112.4 组织分析及性能测试 .132.4.1 XRD 物相分析 .132.4.2 金相组织观察 .132.4.3 显微硬度测试方法 .142.4.4 磨损性能测试方法 .142.4.5 结合强度测试方法 .142.4.6 削性能测试方法 .152.5 本章小结 .153 N2 流量对 TiAlN 涂层组织结构的影响 .163.1 不同 N2 流量下 TiAlN 涂层的物相分析 .163.2 不同 N2 流量下 TiAlN 涂层的显微组织分析 .163.3 不同 N2 流量下 TiAlN 涂层的显微硬度分析 .173.4 本章小结 .184 TiAlN 涂层的膜基结合强度及摩擦磨损特性研究 .19TiAlN 复合刀具涂层的制备及切削性能研究64.1 TiAlN 涂层的膜基结合强度及损伤机制研究 .194.1.1 TiAlN 涂层的膜基结合强度 .194.1.2 TiAlN 涂层的损伤机制研究 .204.2 TiAlN 涂层的摩擦磨损特性及磨损机理研究 .204.2.1 TiAlN 涂层的摩擦磨损特性分析 .204.2.2 TiAlN 涂层的磨损机理研究 .244.3 本章小结 .255 TiAlN 涂层刀具的切削和摩擦学特性 .265.1 引言 .265.2 试验条件与方法 .265.3 试验结果与讨论 .275.3.1 刀具的三向力分析 .275.3.2 刀具前刀面摩擦系数 .285.3.3 被加工件表面粗糙度 .285.3.4 磨损量 Vb .295.4 磨损形貌及磨损机理研究 .295.4.1 TiAlN 涂层的刀具的磨损形态 .295.4.2 刀具磨损机理分析 .305.5 本章小结 .316 结论 .32参考文献 .33致谢 .3571 绪论1.1 引言从上个世纪 70 年代以来，制造业发生了革命性的变化，制造技术也发生了质的飞跃。金属切削技术的快速发展对整个制造行业产生了重大影响。特别是随着复合涂层刀具的发展，涂层刀具已经成为现代刀具的重要标志，并在数控加工领域占据重要的领先地位。作为现代新型的涂层材料，TiAlN 涂层硬度高，氧化温度高，热硬性好，附着力强，摩擦系数低，导热率低，凭借着这些优点，TiAlN 涂层适用于高速切削高合金钢、不锈钢、钦合金、镍合金等材料。由此可见，TiAlN 涂层刀具将大大提升刀具的耐磨性以及使用寿命，提高工作效率，节约切削加工成本，从而进一步提高企业经济效益，促进发展，具有深远广阔的应用前景。1.2 多弧离子镀技术1.2.1 多弧离子镀的原理与特点多弧离子镀最早是由苏联人开发的。多弧离子镀的基本原理是在真空腔内，基底与蒸发源一起施加电场，真空腔里的压力会增加，当腔体里的压力达到合适值时，基底与蒸发源之间会产生放电现象，在和电子碰撞过程中，会形成气体离子和靶材的离子，这些离子在电场中被加速飞向基底，在离子轰击影响下发生凝结从而形成薄膜。多弧离子镀主要如下特点：（1）金属阴极靶直接蒸发，不熔化，设备不需要熔池，可以选择不同位置和方向的靶材槽，镀膜机里的转架可以匀速旋转，使镀得膜层更加均匀;（2）有很强的电场，可以使入射粒子能量增高，在沉积镀膜过程中，膜层的致密度会更好，结合力更强；（3）从应用角度讲，多弧离子镀的突出优点是蒸镀速度快;（4）多弧离子镀 TiAlN 涂层是一种新型三元复合涂层，相比较于 TiN 涂层，TiAlN 涂层具有更高的硬度、抗高温氧化性、热疲劳性能、耐磨性等优良特性。TiAlN 复合刀具涂层的制备及切削性能研究81.2.2 多弧离子镀的工艺参数多弧离子镀的工艺参数对 TiAlN 复合刀具涂层的质量影响很大。多弧离子镀工艺参数的影响因素主要包括弧电流、氮气流量、基体偏压、温度等。基体材料和多弧离子镀工艺参数的选择决定了最终涂层的质量，而工艺参数对于控制涂层质量具有很大的影响。（1）弧电流通过试验发现，硬度与弧电流呈正比关系，涂层厚度也与弧电流呈正比。但是当靶材一定时，增加弧电流，靶材温度也会增加，沉积过程中会形成大颗粒，从而大大降低涂层的性能。因此，在不影响涂层厚度的情况下，尽量采用低电流。（2）氮气流量通过实验发现，增加氮气流量可以改善和减少涂层表面上的颗粒。流量过高时，溅射增强，不能形成表面质量良好且厚度达到要求的涂层；流量过低时，在镀炉中，反应无法进行完全。因此，选择合适的氮气流量很重要。1.3 TiAlN 涂层的研究现状目前在欧洲和美国等发达国家，TiAlN 涂层刀具的使用量占涂层刀具总使用量的 30左右，而且仍在增加。因此，国内外刀具制造商纷纷投入大量资金和时间来研发高性能的 TiAlN 涂层刀具。美国 Kennametal 公司推出的 H7 系列刀片采用 TiAlN 涂层，非常适合加工和切削合金钢和不锈钢等高性能材料。KC55 系列 TiAlN 涂层刀具基体材料采用的是细晶粒硬质合金，这个系列的涂层刀具实现了对高温合金的快速断续切削。国内株洲钻石公司生产的 YBG 系列 PVDTiAlN 涂层硬质合金刀具，具有耐磨性好、热稳定性高和表面光滑的优良特性，适合用于难加工各种髙温合金、耐热合金等难加工材料的切削加工。近年来，虽然中国在涂层刀具研发领域已经小有成就，但是在研究高性能的TiAlN 涂层刀具方面进展还是比较缓慢。相对比于西方国家，涂层制备、工艺以及工作人员技术等方面都有着相应的差距。所以，我国应该对 TiAlN 涂层刀具进行更多的研究和推广，改善切削技术，从而提高制造技术并节省成本。91.4 本课题研究的内容及意义本课题的研究目的在于采用 Ti-Al 合金靶材，利用多弧离子镀技术在钨钢铣刀表面沉积 TiAlN 膜层，研究 N2 分压等工艺参数对