（材料学专业论文）磁控溅射和离子镀tialn涂层的往复滑动摩擦学行为研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 t i 舢n 是在t i n 涂层的基础上发展起来的一种新型多元涂层，近年来受到 了越来越多的关注。由于a l 元素的加入，t 认l n 涂层不但在硬度、耐磨性方面 优于t i n ，而且大大改善了t i n 涂层的抗高温性能。t 认1 n 已经逐渐成为n n 涂层的替代品，特别是在刀具领域，使用性能及寿命得到显著提高。 本文利用p l t 摩擦试验机和c e t r 多功能摩擦磨损试验机对不同p v d 工艺( 磁控溅射和离子镀) 制备的两种t i a l n 涂层进行了往复滑动摩擦学行为 研究。在摩擦动力学分析基础上，利用扫描电子显微镜( s e m ) 、激光共焦显微镜 ( l c s m ) 、电子能谱( e d x ) 和x 射线衍射( ) 进行了微观分析，详细地 研究了法向载荷、位移幅值等试验参数对往复滑动摩擦学特性的影响；分析了 摩擦化学对涂层磨损的作用，探讨了t i a l n 涂层的摩擦磨损机理，比较了两种 试验装置对涂层摩擦磨损行为的影响，本文获得主要结论如下： 1 t i p d n 涂层的摩擦系数随循环周次的变化呈五个阶段的特征，即跑合阶 段、上升阶段、峰值阶段、下降阶段和稳定阶段。随着法向载荷的增大，摩擦 系数降低；随着位移幅值的增大，摩擦系数最大值增大。 2 试验初期两种t 认1 n 涂层的磨损形式主要为磨粒磨损，而t i a j n 涂层的 破损均表现为磨粒磨损、氧化磨损和剥层磨损共同作用的结果。 3 磁控溅射t i a l n 涂层磨损较轻微，耐磨性能优于离子镀t i a l n 涂层，涂 层微结构的差异可能是造成其摩擦磨损性能差异的主要原因。 4 在润滑介质( 乳化液、油) 作用下，t i f 蝌涂层的摩擦学性能得到了很 大的提高，涂层的寿命大大延长。 5 把两种n 舢n 涂层往复滑动磨损行为的试验结果与切削试验对比发现， 涂层抗磨损性能评价结果一致。往复滑动的实验室评价方法能够用来定性评价 涂层刀具的切削性能。 6 采用不同试验系统的两种实验结果显示，t i a l n 涂层摩擦磨损的程度有 所差别，但是两种1 t a l n 涂层的抗摩擦磨损的规律是一致的。 关键词：t i a 涂层；磁控溅射；离子镀：往复滑动；摩擦磨损；润滑 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t t 认1 ni sab n do fn e wm u n i c o m p o n e n tc o a t i n gw h i c hh a sa t t r a c t e dw i d e l y i n c r c 髂i n g a t t e n t i o i l sr e c e n ty e a r sd e v e l o p e d 丘0 mt i nc o a t i n g b e c a u s eo ft h e a d d i t i o no f 舢，t i a c o a t i n gn o to n l yi sb e t t e rm a nt i nc o a t i n gi nt 锄so f h a r d i l e s sa 1 1 dw e a rr e s i s t a n c e ，b u ta l s oi m p m v e st h em 曲t e m p e r a h 玳r c s i s t a i l c eo f m et i nc o a l i n g 旷e a t l y t i 魁nc o a t i n gk 略r e p l a c e dt i nc o a t i n g 簪a d u a l l yt o i m p r o v e t 1 1 es e n r i c ep c r f o 珊a 1 1 c e sa n do p e r a f i n gl i f e ，e s p e c i a l l yi nm ef i e l do f c u l t i n g t 0 0 1 s i i lc l l i sp a p e r ，m em b 0 1 0 百c a lb e h a v i o r so fr e c i p r o c a t i n gs l i d i n gf o r 押ot i a l n c o a t i n g sw h i c hp r 印a r e db yd i f f e r e n tp v dt e c h n o l o g i e s ( i r l a g e t r o ns p u t t e r i n ga n d i o np l a t 抽曲h a v eb e e ns t i l d i e do np l i n tw e a rt e s t e ra i l dc e t rm u l t i m n c t i o n a lw e a r t e s t c r b 淞eo nt 1 1 ea i l a l y s e so f 衔c t i o nk i n e t i c s ，s o m em i c r o - e x a m i n a t i o nm e a n s ，s u c h a s s c a n n i n ge l e c 缸d nm i c m s c o p y ( s e m ) ， l 韶e rc o n f o c a l s c a n n i n gm i c r o s c o p y ( l c s m ) ，e n e 娼yd i s p e r s i v ex r a ys p e c t m m ( e d x ) a dx r a yd i 倚a c t i o n ( ) ， 、e r eu s e dt oa n a l y z em et r i b o l o 直c a lc h a r a c t e r i s t i c su n d e rv a r i e d 也et e s tp a r a m e t e r s o fn o 皿a 1 1 0 a d s 姐dd i s p l a c e m e n ta r n p l i t l l d e s t h e 菌b o c h e m i c a le f f 托to nw e a ra n d t h ew e a rm e c h a n i s m so ft h ec o a 衄g sw e r ed i s c 璐s e di nd e t a i l a n dt h eb e h a v i o r so f 缸c t i o na n dw e a rf o rm ec o a t i n g su n d e rd i f f 酹e n tt e s tr i g sw e r ea l s oc o m p a r e d t h e m a j nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf 0 1 1 0 w s ： 1 t h ev a r i a t i o i l so f 航c t i o nc o e m c i e n t so ft i a l nc o a t i n g sw e r ec l a s s m e di n f i v e s t a g e s ，“ n l i l i l i n g i n ，髂c e n d i n g ，p e a kv a l u e ，d c 南e r l d 试ga i l ds t e a d y s t a g e s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h en o m a ll o a d s ，m ef h c t i o nc o e m c i e n t s d e c r e a s e d a n dt 1 1 e 衔c t i o nc o e m c i e n t si n c r e a s e dw i t l lm ei n c r e a s eo f 也e d i s p l a c 锄e n ta r n p l i t u d e s 2 i nt h ei n i t i a ls t a g e s ，t h em o d co f w e a rf o rt h et w ot i a 叮c o a t i n g sm a i n l yw a s a b r a s i v ew e 越a n dm ed a i l l a g em e c h a n i s m so fm ec o a t i n g sw e r et h e c o m b i n a t i o no f a b r a s i v ew e a lo x i i i a t i o nw e a ra n dd e l a m i n a t i o n 3 t h ew e a ro ft h em a 印e 们ns p u 札e r i n gn m nc o a t i n gw a ss l i g h t e r 姐d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | l 页 p r e s e n t e db e t t e rw e a rr e s i s t a n c et h mt l l a to ft h ei o np l a t i n gc o a t i n g t h e 缸b o l o g i c a lp r o p e n i e so fm et i a i nc o a l i n g sw e r ed e 印l yd 印e n d e n tu p o n t h e i rm i c r o s h l l c t i l r e s 4 u n d e rm ec o n m t i o n so fi i lt h e1 u b r i c a n tm e d i ao fe m u l s i o na i l dc o o l a n to i l ， t h et r i b o l o 舀c a lp r o p e n i e so fm et i a l nc o a t i n g sw e r ei f n p r 0 y e do b v i o u s l y a n dt h eo p e r a t i n g1 i f ew a sl e n 毋h e n e dg r e a t l y 5 c o m p a r i n gm ee x p 嘶m e n t a lr e s u l t so ft h ec 删n g t e s t st ot l l er e c i p r o c “n g s l i d i n gt e s t s ，i tw a sf o u n dt h a tt h ee v a l u a t i o nr e s u h so ft h ep r o p e r t i e so f a i l t i w e a rf o rt h ec o a t i i 唱sw c r eu n i f 0 姗t h e r e f o r e ，t h ee v a l u a t i o nm e m o d w i t l lr e c i p r o c a t i n gs h d i n gt e s t si nl 曲o r a t o r yc a i lb eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h e c u t t i n gp r o p e r t i e so f c o a t i n g t o o l s 6 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e d 丘d mt w ot e s ts y s t 锄s h o w e dt 1 1 a tt h c e x t e n t so f 衔c t i o na n dw e a rf o rt h ct i a l nc o a t 协g sp r e s e n t e ds l i 曲td i 髓r e n c e h o w e v e r ，m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e 似oc o a t i n g sf o ra i l d - w e a ri l i l d e rm o t e s t m d e sw e r es 锄e k e yw o r d s ：t 认l nc o a t i n g ；m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；i o np l a t i n g ；r e c i p r o c a t i g s l i d i n g ；f r i c t i o na n dw e a r ；l u b r i c a t i o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 滑动摩擦基础研究 固体干摩擦时，微凸体作用一般经历三个阶段：发生弹、塑性变形；出 现粘着或犁沟：粘着区的剪切、留下永久变形或完成弹性恢复。摩擦过程中 消耗的机械能有三种转变方式：一种是通过弹性之后转变为分子动能：二是 通过塑性变形转变为分子势能和分子动能；三是通过微凸体的断裂同时发生 上述两种转变并且增加表面能。这种粘附结合的破裂以及微凸体弹性变形部 分的突然脱开会产生振动和其他形式的能量发射。 1 1 1 滑动摩擦理论 二十世纪二、三十年代以前，主要形成了两种简单的摩擦理论：一个是 由库伦( c o u l o m b ) 提出的机械啮合理论；另一种是分子作用理论。前者认为滑 动摩擦中能量损耗于微凸体弹塑变形和断裂，特别是硬微凸体嵌入软表面后 在滑动中形成的犁沟效应。后者认为摩擦是由于滑动中表面分子间的作用力 使固体粘附在一起而产生滑动阻力，即所谓的粘着效应。这两种理论均有较 大的局限性。前者只能解释粗加工表面的部分摩擦效应，后者只适合于重载 荷条件1 1 l 。下面重点介绍具有代表性的剪切一犁削和变形一剪切一犁削两个 摩擦理论。 1 剪切一犁削理论 b o w d e n 和t a b o ，l 于1 9 5 0 年，t s u k i z o e 和h i s a k a d o 于1 9 7 0 年相继在试验 中观察到：若金属摩擦副先在法向力的作用下，然后再逐渐增大切向力的作 用，那么两个摩擦面之间的实际接触面积会增加；接触区最大切向微滑移随 表面粗糙度的增加而增大；接触区的这些变化导致接触表层金属特性发生显 著变化。此外，他们还注意到，如果两个表面硬度不一样，则硬表面的微凸 体将犁削软表面，产生一定深度的犁沟。所以他们提出：摩擦力由两部分组 成，一部分因剪切而起，另一部分由犁削引起，至于哪部分贡献大，则取决 于金属材料基体的物理特性。下面以一个受平行于滑动方向的力作用的金属 球体在一个较软的平面金属块上的滑动( 见图1 1 ) 为例说骐该理论。s 为破坏 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 金属胶合层的剪切力，p 为移去接触球面前方较软金属材料所需的犁削力， 则总摩擦力f = 斟- p a ，其中 s = 爿仃 ( 1 1 ) 爿= 4 ，= 矿p ( 1 - 2 ) l = l 盯= 仃o + 口p( 1 3 ) 这里 图1 1 硬金属球面引起较软的金属平面变形 4 一实际接触面积，等于单个接触面积的总和，接触点密度取决于名义 接触区表面粗糙度、表层机械特性和外部载荷； p 一接触压力； o 一破坏金属胶合层的剪切应力，oo 为p _ 0 时的剪应力，口为常数： p = 4 p p( 1 4 ) 这里 爿p 一犁沟横截面积： p p 一移去犁沟处的金属材料所需的平均应力。 所以，总摩擦力为 f = 爿叮+ 爿p p p ( 1 5 ) 2 变形一剪切一犁削理论 二十世纪七十年代末、八十年代初，c h a l l e n 和o x l e y 吧s u h 和s i n 【5 1 等先后 提出了关于摩擦起源的变形一剪切一犁削理论：滑动摩擦是微凸体变形、磨 粒和微凸体对表面的犁削及粘着三者综合作用的反映。这三者对摩擦系数的 影响程度取决于滑动界面的状态，而后者又与滑动前摩擦副材料的性质、表 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 面状态以及环境等因素有关| ：刮。 f 1 1 试验依据 以一组不同硬度的纯铁和钢在室温和净化的氢气中进行摩擦试验( h 色9 8 n ，滑动速度0 0 2 i i l s ，总滑动距离3 6m ) ，得到以下结果。 1 ) 摩擦系数肛随滑动距离d 的变化。用较硬试件摩擦较软的静止试件时， 摩擦系数变化规律如图1 2 ( a ) 所示，但如果用较软的试件摩擦较硬的静止试 件，则摩擦系数达到最大之后会有所下降，然后才达到稳定的值，见图1 2 ( b ) 。 鼎 瞄 蛭 世 、 一 l 鼎 垛 鹫 世 滑动距离d滑动距离d 图1 2 摩擦系数与滑动距离的关系5 1 2 ) 把磨粒从滑动界面清扫后，摩擦系数会显著下降，然后又逐渐回升到 稳定值( 图1 3 ) 。 辅 1 幅 蝼 悭 滑动距离d 图1 3 清除磨粒后的摩擦系数与滑动距离关系”l 3 ) 不论何种材料组合，初始的摩擦系数都等于o 1 0 2 ： 4 1 相同金属相互滑动时，其稳定状态的摩擦系数都大于较软试件在较硬 的静止物体上滑动时摩擦系数的稳定值；反之，用较硬试件在较软的静止物 体上滑动时，摩擦系数的稳定值几乎和同种金属对摩时一样。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 2 ) 摩擦机理 1 ) 摩擦系数的变化过程 如图1 4 所示，摩擦系数的变化过程一般可以分为以下五个阶段。6 j 籁 垛 逛 鹭! 滑动距离d 图1 4 摩擦系数的变化过程 第1 阶段：由于摩擦表面有污染膜和吸附膜，粘着较轻微，对摩擦系数影 响并不大。滑动开始时，摩擦表面易被抛光产生新的微凸体，且此时微凸体 并不发生变形，所以微凸体变形对摩擦系数的影响不大。因此，在这个阶段 的摩擦系数受微凸体在其对偶面上的犁削作用控制。 第1 i 阶段：滑动表面间的磨粒增加，犁削作用增大，主要发生两体接触， 使清洁表面增大，粘着也因此继续增加。在这两种因素的综合作用下，摩擦 系数急剧上升。 第1 i i 阶段：进入摩擦表面的磨粒数与离开表面的磨粒数大致相等，摩擦 系数达到稳定值。 第阶段：硬表匝的微凸体逐渐被磨平，出现镜面，磨粒较难附在光洁 的表面上，使犁削作用减弱，被磨平的微凸体的变形也减小，同时磨屑参与 承载，因此摩擦系数有所下降。 第v 阶段：当大部分的表面都变得光滑时，软表面也因此而得到同样的 镜面，此时，界面的表面粗糙度达到可能的最佳值，摩擦系数趋于平稳。 如果是硬表面在静止的软表面上滑动，软表面将不会发生抛光现象，其 界面始终是粗糙的，则不会出现第1 v 、v 阶段。 2 1 机理分析 微凸体变形引起的摩擦 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 5 为两个微凸体的接触界面。要使a 、b 两个表面发生相对滑动，微 凸体必须变形，使其位移与滑动方向一致。 图1 5 微凸体接触时的物理模型 粘着引起的摩擦 主要取决于接触界面粘着强度与较软材料的剪切强度之比。 犁削引起的摩擦 由于微凸体或硬磨粒嵌入较软材料基体内，有相对运动时会产生犁削作 用，因此，其摩擦系数主要取决于磨粒尺寸或硬微凸体尺寸，以及相对硬度 和嵌入深度。此外，如图1 6 所示，磨粒还会由较软材料产生。犁削使犁沟两 侧形成山脊，山脊不断被反复挤压碾平，发生断裂，从而形成新的磨粒。 图1 6 犁削产生磨粒的过程 1 _ 1 2 影响滑动摩擦的因素 由于摩擦过程相当复杂，至今仍无十分完善的理论能解释各种摩擦现象， 同样，对影响摩擦的因素也还缺乏完全一致的认识。这里大致介绍一些主要 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的影响因素。 1 摩擦副材料性质 对于一般材料，摩擦力随硬度的增加而减小，因为硬金属的塑性变形能 力较小，粘着能力也随之减小。r a b i n o w i c z 等曾指出金属副互溶性与粘着没 有关系，与摩擦特别是磨损有较大关系7 1 。但是，目前有些学者认为相同金 属或互溶性大的金属组成的摩擦副容易发生粘着，因而使其摩擦系数较大。 2 载荷 最早的摩擦学研究者们认为载荷与摩擦系数无关。然而，这个观点并不 完善。实际上，载荷会通过改变实际接触面积以及微凸体变形状态来影响摩 擦力。g r e e n w o o d 和w i l l i a m s ( 1 9 6 6 年) 、w a t e r h o u s e 和a r c h a r d ( 1 9 7 0 ) 以及s a l e s 和t h o m a s ( 1 9 7 5 ) 等相继给出了载荷与实际接触面积的关系，1 9 9 4 年，o t h m a n 和e l 地0 1 y 在往复滑动摩擦试验中发现，两个类似金属之间的摩擦与法向载 荷有关f 8 1 。在塑性接触状态下，摩擦系数与载荷无关。一般情况下，金属表 面处于弹塑性接触状态，摩擦系数随着载荷的增长而减小。另外，由于摩擦 表面处于弹塑性接触状态，摩擦系数也会随着加载速度的增加而增加川。 3 滑动速度与温度 早在1 9 0 2 年，s t r i b e c k 就发现了后被称之为s t 咖e c k 摩擦力一相对滑动速 度的关系曲线【，对不同润滑条件下滑动速度与摩擦力的关系作了说明。 由于摩擦现象的普遍性和复杂性，为了各自不同的研究目的，至今己使 用过多种摩擦力模型 | 0 4 0 】。近些年，由于对摩擦振动现象的重视，针对此的 摩擦力模型被许多学者研究。具代表性的是s a k 砌o t o 于1 9 8 7 年根据试验结果 提出的加速和减速对摩擦力一相对滑动速度关系曲线，如图1 7 所示。 图1 8 是克拉盖尔斯基等人提出的试验结果。对于一般的弹塑性接触状态 的摩擦副，摩擦系数随滑动速度增加而越过一段极大值，如图中曲线2 和3 ， 并且随着表面刚度或者载荷增加，极大值的位置向坐标原点移动。当载荷极 小时，摩擦系数随滑动速度的变化曲线只有上升部分；而在载荷极大的条件 下，曲线却只有下降部分，如图中曲线1 和4 所示。归纳试验结果，滑动速度 对摩擦系数的影响采用下列关系式 = ( d + 6 y ) 已一“+ d( 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 表示，式中矿为滑动速度，a ，b ，c ，d 为由材料性质和载荷决定的常数。 q 藻q 蜷 避o 1 02 0 3 04 05 0 相对滑动速度v r 图1 7 加速和减速对摩擦力一相对滑动速度关系曲线的影响 滑动速度还会造成冲击，引起机械变形，同时也会改变摩擦界面的温度， 从而影响摩擦。温度对摩擦主要有三方面的影响。它能改变摩擦材料的性能， 表面膜的形成，润滑剂的性能。 燕 垛 避 世 相对滑动速度 图1 8 不同载荷条件下相对滑动速度与摩擦系数关系 4 时间 对于金属接触来说，摩擦主要是由于接触界面的接点焊合及剪切、微凸 体的变形和犁削产生的。这暗示了摩擦力的时变特性。r a b i n n o w i c z 川较早研 究了摩擦时间对静、动摩擦力的影响。b r o c k l e y ( 于1 9 6 7 年) 、p l i n t ( 于1 9 8 5 ) 等 1 5 ”埽目继研究了时间对静摩擦力的影响，并且得出结论： 静摩擦力随着时间的增加而加大。a r o n o v 、s o o m 和k i m 1 7 。”1 等在1 9 8 3 和 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 9 8 4 年研究了动摩擦力一时间关系，后者采用了频谱法分析了动摩擦力的时 间统计特性。 1 2 物理气相沉积( p v d ) 1 2 1 物理气相沉积( p v d ) 概述 p v d 法是在真空条件下，沉积物由固态转变为气相，以原子或分子形式蒸 发，同时利用辉光放电产生的等离子体，从而沉积或注入到基板上的方法。 材料表面沉积技术自问世以来得到迅速发展，各种气相沉积技术层出不 穷，切削刀具、模具和耐磨损零件涂层处理后，能有效的提高产品的表面硬 度和复合韧性，提高其耐磨损性和抗高温化学稳定性能，从而大幅度地提高 涂层产品的使用寿命，因此其在现代机械加工工业中应用越来越广泛。 由于p v d 涂层技术所具有的优异特性，自7 0 年代以来在世界范围展开了 用p v d 技术沉积超硬涂层的研究，各先进工业国迅速推出了大量p v d 镀膜技 术和镀膜生产厂家，但受p v d 涂层技术绕射性差，涂层与基体粘结强度低， 工艺设备技术复杂等因素的影响，直到近几年，在较好的解决了以上问题后， 世界各主要切削刀具制造商才纷纷推出p v d 涂层牌号的切削工具。 2 0 世纪8 0 年代以来，物理气相沉积( p v d ) 技术成功用于切削刀具的硬质 涂层，有效提高表面硬度一韧性一耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产 品的使用寿命，引起刀具材料和性能的巨变。作为材料表面改性处理的新技 术，p v d 在现代机械工业中得到越来越广泛应用，已普遍应用于铣刀、钻头、 铰刀、丝锥、异形刀具等的涂层处理，并扩展到模具和摩擦零件及装饰等防 腐耐磨镀层，在先进制造技术中占有重要地位，引起材料和机械领域专家的 广泛重视。研究人员正努力探求新的硬质涂层，改进制备工艺，拓展新的应 用领域，并不断取得进展。 1 2 2p v d 涂层技术的分类与进展 物理气相沉积主要分为蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀膜三大类。 1 蒸发镀 真空蒸发镀膜是发展较早，应用也最广的一种p v d 技术，目前仍占有世 界4 0 左右的市场，但用途范围正在缩小。真空蒸发镀膜是在真空条件下采 用电阻、电子束等加热镀膜材料，使其熔化蒸发再沉积在基体表面形成镀膜。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 此种技术设备简单，生产成本较低，涂层精细、光滑、不含颗粒、杂质等，适 合大规模生产，常用于光学镀膜、模具制造等，但沉积过程中通常只使用一 种材料的靶材，绕射性很差，较难满足超硬材料镀膜的需要。 2 离子镀 离子镀是一种应用较多的超硬材料镀膜技术，它于1 9 6 3 年由d m m a t t o x 发明。它是在高真空条件下通入氩气等，利用辉光放电使气体和镀膜材料部 分离化，并使离子轰击靶，打出靶上的材料离子，使其沉积在工件上。离子 镀的镀层绕射性较好，工件处于电场中，使得镀膜材料的离子能够达到工件 的所有表面，镀膜粘结性好，组织致密。常用的离子镀有直流二极离子镀、 直流三极离子镀、空心阴极离子镀、活化反应离子镀、多弧离子镀等。 离子镀在切削工具超硬材料镀膜中应用较为成功的技术是多弧离子镀。 多弧离子镀采用真空电弧放电的方法在镀膜材料制作的阴极靶上直接蒸发出 镀膜材料，有以下特点：( 1 1 金属离化率高。有利于涂层的均匀性和提高附着 力，是实现离子镀膜、反应镀膜的比较好的工艺；( 2 ) 不足之处是降低工件的 表面光洁度。阴极发射的蒸汽微粒不均匀，有“液滴”现象，有的微粒达l m 级，细化蒸汽微粒是提高涂层质量的关键，可采用偏转电场，使“液滴”在 中途就在电场的作用下粘附在偏转电场上，不会沉积到工件上；( 3 ) 较经济， 可同时使用数种材质的烧结靶材。 3 溅射镀 溅射镀膜是在真空室中，利用荷能离子轰击靶材表面，通过粒子的动量 传递轰击出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉积在基体上形成镀膜的技术。 溅射镀膜能实现大面积快速沉积，凡是能够制成靶的金属化合物、介质均可 做镀膜材料，镀膜密度好，附着性好，因而近年来发展很快，随着相应的技 术的不断完善和发展，其应用范围也将越来越广泛。溅射镀膜具有代表性的 方法有二极溅射、三极溅射、磁控溅射、射频溅射、反应溅射等。 磁控溅射又称高速低温溅射，其沉积速率高，工作气压低，镀膜质量高， 工艺稳定，便于大规模生产，其发展引起了镀膜工艺的深刻变化，近几年来 在切削工具上的涂层应用已取得了巨大的发展。磁控使离子密度更高，因此 使用的氩气可以更少，从而使得工作压力可以更低，即涂层质量会更好。 目前，溅射镀膜技术有代表性的制造厂家如德国的c e m e c o n 公司，其p v d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 系统采用非平衡磁控管溅射涂层技术。该技术采用全自动的r f ( 射频) 清洗工 艺以及新的离子密度控制，可以进行a l 、t i 、c r 、s i 、p t 、c u 等金属；t i a l 6 v 4 、 m c r a l y 等合金；t i n 、t i c 、t i c n 、c r n 等硬质合金；t i a l n 、t i a l o x 、t i b 2 、 s i c 等超硬材料：a 1 2 0 3 、z r 0 2 等非电导性材料的涂层，而且所有材料都可进 行单层、多层或纳米级涂层。 1 2 3p v d 涂层技术的发展趋势 随着高速切削对刀具p v d 涂层硬度、耐磨性、抗氧化性及其与基体结合 强度等综合机械性能的要求不断提高，t i n 等单一二元涂层材料难以满足这 种要求，研究人员不断在寻求新型涂层以及增强涂层性能的方法，以满足实 际需要。 目前，刀具p v d 涂层技术存在两种发展趋势。一是涂层越来越硬；二是 涂层越来越软。刀具的硬涂层主要是元素周期表中的i v a 、v a 、v i a 族金属 元素与c 、n 、o 等元素的化合物；刀具的软涂层则主要是m o s 2 、w s 2 等硫族 化合物。 ( 1 ) 普通硬涂层 最早在高速钢刀具上使用的涂层是t i n ，它是一种简单的二元涂层，在 大多数情况下，这种涂层使切削刀具具有较好的耐磨性。 刀具的切削性能一方面要求涂层与基体之间有较高的结合强度，另一方 面要求涂层材料与基体材料之间具有较低的化学活性。t i n 等简单涂层已很 难满足这种要求。如果构成涂层的化合物之间有较好的互溶性，由此构成的 复杂涂层就可具有最佳的性能，通过溅射或蒸发钛靶，通入不同比例的氮气 和乙炔气，可以获得t i n 、t i c 等简单涂层和t i ( c n ) 、t i ( c n ) 2 、t i ( c n ) 3 等复 杂涂层。复杂涂层比简单涂层具有更为优越的持久性。如采用混合多层涂层， 则可获得更好的涂层性能。其方法是首先在刀具基体表面沉积一层t i c ，使 涂层与衬底具有较好的结合强度，然后在其上沉积不同比例c 、n 的t i c n 涂 层，最后沉积一层t i n 或t i c n ，以产生漂亮的色彩。除t i n 、t i c 、t i c n 等涂 层外，较常用的涂层还有氮化铝钛涂层，该涂层首先在欧洲开发和使用，初 期选用成分t i o 7 5 a 1 02 5 n ，现在则优先选用t 沁a 1 05 n ，后者可使涂层的氧化温 度提高到7 0 0 ，同时t 讥a l o5 n 在空气中加热会在涂层表面产生一层非晶态 氧化铝( a 1 2 0 3 ) 薄膜，从而可对涂层起到保护作用。在一些高速切削场合，由 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 于该保护层的作用，使t i 。5 a l o5 n 涂层刀具的工作性能优于t i n 或t i c n 涂层刀 具。 在刀具硬涂层中，z r n 、t i z r n 类金刚石膜涂层( d l c ) 和金属一碳膜涂层 也有各自的适用范围，且其应用范围正在不断拓展。d l c 主要用于有色合金 的加工，作为刀具涂层材料，t i z r n 已部分取代t i n 。金属一碳膜涂层已经开 始在欧洲使用，但目前还处于试验阶段。在可以预见的将来，t i n 、t i c n 和 t 沁a l o5 n 在p v d 刀具涂层领域仍将占据主导地位。 ( 2 ) 新型硬涂层 近年来，在刀具p v d 涂层领域出现了四种硬度更高的新型涂层，即立方 氮化硼( c b n ) 涂层、氮化碳( c n x ) 涂层、多晶氮化物超点阵涂层和氧化铝( a 1 2 0 3 ) 涂层。 c b n 涂层的硬度达5 2 0 0k g 胁m 2 仅次于金刚石，因此c b n 涂层刀具可有 效地切削淬火钢和其它难加工合金。c b n 薄膜己由许多研究者合成成功，成 功的关键是采用了i a d 技术。目前研究者提出两种理论来解释c b n 膜生长时 离子轰击的重要性：k e s t e r 和m i s s i e r 认为离子轰击的动能传递给生长膜，从 而促使氮化硼形成立方结构；而m c k e n z i e 等认为是离子轰击在膜中引起的应 力促使氮化硼形成立方结构。但是，一旦c b n 膜的厚度超过2 0 0 0a ，膜中的 应力就会使膜出现分层，正是这些应力限制了c b n 膜的厚度。如何合成出厚 度超过2 0 0 0a 的c b n 膜是今后需要解决的一个难题。 氮化物超点阵涂层是一种非常有希望的新型p v d 刀具涂层。当多层超点 阵中最小双层点阵的重复周期在5 l on m 时，涂层的硬度和强度将显著提 高。初期的研究工作表明，单晶氮化物超点阵t i n v n 涂层的最大硬度可达 5 6 0 0 k g f m m 2 ，而t i n n 妯n 涂层的硬度可达5 1 0 0 k 鲥m m 2 ，比均匀的单晶涂层 t i n 、v n 和n b n 的硬度( 1 7 0 0 2 3 0 0k g f m m 2 ) 高得多。尽管单晶超点阵涂层在 科学上具有重要意义，但在刀具( 例如m 2 高速钢刀具) 上获锝的超点阵涂层 是多晶体的。多晶t i n ，n b n 和t i n v n 超点阵涂层的硬度分别为5 2 0 0k g f m m 2 和5 6 0 0k g m m 2 。多晶超点阵涂层的高硬度表明它们能很好地适用于磨削加 工。研究者认为，多晶超点阵涂层的高硬度主要是由于层内或层间位错运动 困难所致。当涂层非常薄时，如果层间位错能量有较大差异( 位错能量差异代 表两种材料切变模量的差异) ，则层间位错运动相当困难，即位错运动的能量 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 决定了超点阵涂层的硬度。超点阵涂层存在一个最佳周期，这一最佳周期使 涂层具有最大硬度，对于t i n n 妯n 和t i n ，v n 涂层，这一最佳周期值在4 8n r n 范围内。氧化铝( a 1 2 0 ) p v d 涂层主要是采用射频( r f ) 二极管溅射a 1 2 0 3 靶或在 a r o 气氛中溅射a 1 靶的方法沉积而成。r f 功率源可以溅射非导电材料并阻止 在靶上产生弧光放电。由于a 1 2 0 3 的沉积速度很低，且涂层为非晶态，因此这 种涂层不能用于刀具涂层。目前已有沉积晶态r 2a 1 2 0 3 的报道，在衬底温度 4 0 0 、衬底偏压1 4 0v 的条件下，用等离子体协助e c r 过程可获得这种晶 态沉积膜。晶态a 1 2 0 3 将可作为性能稳定的刀具涂层。 ( 3 ) 软涂层 涂层的高硬度是过去涂层技术研究与开发中追求的主要目标。然而，并 非所有材料都适于采用硬涂层刀具加工，如航空航天工业使用的许多高强度 铝合金、钛合金或贵金属材料等都不适合用硬涂层刀具加工，目前此类材料 仍主要使用无涂层的高速钢或硬质合金刀具加工。刀具软涂层的开发则可较 好地解决此类材料的加工问题。刀具软涂层的主要成分为硫族化合物f 如 m o s 2 、w s 2 等) 。采用m o s 2 涂层的高速钢刀具在加工高强度铝合金、钛合金 方面显示出了优异性能，且能获得优良的加工表面粗糙度。m o s 2 涂层的高速 钢刀具在加工上述合金材料时切削效率可提高3 4 倍以上。此外，m o s 2 涂层 的高速钢刀具在加工p t 2 5 c u 合金表壳时同样显示了良好的切削性能，与 t i c n 、c r n 、c r c 、t i n 和d c l 涂层刀具以及不涂层的高速钢刀具和硬质合金 刀具相比，生产率可提高2 0 倍以上，刀具寿命可提高7 倍以上，而且可获得优 良的加工质量。 1 2 4p v d 涂层展望 ( 1 ) 刀具p v d 涂层技术的发展对改善刀具切削性能、提高加工质量、降低 生产成本起到了巨大作用。目前t i n 、t i c 、t i c n 及t i 。5 a 1 05 n 等硬涂层在刀 具涂层领域仍占主导地位。同时，c b n 、c n 。和多晶氮化物超点阵等新型超 硬涂层正在研究开发之中，并显示出良好的发展前景。 ( 2 ) 在发展硬涂层的同时，m o s 2 、w s 2 等硫族元素软涂层的开发也取得了 长足进展，研究表明，这些软涂层在加工高强度铝合金及贵金属方面显示出 令人鼓舞的应用前景。 ( 3 ) 刀具p v d 涂层技术的发展对改善刀具切削性能、提高加工质量、提高 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 寿命和降低生产成本具有重要意义。在扩大工艺成熟的传统涂层应用的同时， 多组元及超点阵等新型硬涂层开发方兴未艾，而最新的纳米复合涂层正在成 为研究热点，并显示出良好的发展前景。 ( 4 ) 刀具p v d 涂层技术是集材料、机械、电子物理、真空控制技术于一体 的新型技术，p v d 工艺将成为新型涂层研究和开发的主流技术之一。溅射温 度低、沉积速率高、工艺稳定的磁控溅射，是低温沉积最有效的方法，在今 后研究和生产应用中将进一步扩大应用范围，尤其是利用磁控溅射技术制备 的纳米复合涂层。 ( 5 ) 我国刀具p v d 涂层技术尚处于第二代水平，较之国外发展的第四代涂 层有较大差距。随着我国汽车、机械、航空和航天等工业的迅速发展；高速 数控化的机械加工对刀具涂层技术提出了更高要求，也赋予广阔发展空间。 1 3t i a l n 涂层的研究现状 1 3 1t i a l n 涂层特点 t i a l n 颜色为紫黑色，表面硬度为h v 2 8 0 0 ，开始氧化温度为8 0 0 ，附 着力比t i n 涂层大，耐热性能优越，开始氧化温度高，所以适合于高速加工 及高硬度钢加工。用t i a l n 涂层的硬质合金刀具的抗氧化性极好，高温硬度 好，涂层材料开始分解的温度比其它涂层要高，这种特性可以使涂层硬质合 金刀具避免受高温的危害，从而保护切削刃。t i a l n 涂层硬质合金刀具适合 模具的精加工，在无切削液的情况下，它可以高速切削淬火钢，而不受所产 生的切削热影响。 t i a l n 涂层既具有接近t i c 的高硬度高耐磨性，又具有与t i n 膜层相当的 结合强度，大大改善了膜层的性能。据报道，t i a l n 膜层与t i n 膜层相比，具 有更高的硬度、耐磨性和高温抗氧化性以及膜基结合力等。而a 1 对t i a l n 涂 层耐磨性的作用具有双重性。 有利于提高耐磨性的因素有： 1 ) a 1 的引入使膜层的整体硬度大幅度提高； 2 ) 在磨损过程中表面几个原子层中a l 发生氧化，而a 1 2 0 3 具有更高的硬度； 3 ) a l 含量增加，f e 与t i a l n 膜层之间的摩擦系数下降，减磨性能提高； 4 ) a l 的引入不破坏原膜层的化学稳定性。 不利于提高耐磨性的因素有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 ) 使膜层的致密性下降： 2 ) 由于( t 沁a l o 5 ) n 的熔点比t i n 低，根据t h o m t o n 理论，在4 5 0 镀膜时， 膜层择优取向减小，应力松弛； 3 ) a 1 含量增加时，膜层一基体之间的结合力下降，a 1 含量增大至一定程度 时，导致膜层早期失效。 1 3 2t i a l n 涂层制备工艺方法 t i a l n 涂层可以通过不同的p v d 技术( 如离子镀、溅射等) 沉积在一系 列不同的基体上。其中，多弧离子镀和磁控溅射应用得最为广泛。p v d 法能 将熔点不同的t i 和a l 从t i a l 阴极合金靶中分离出来形成气体相，其中多 弧离子镀是通过加热蒸发源得到，而磁控溅射是通过轰击靶材实现。但离子 镀过程要比溅射过程需要更高的能量，因为前者是将高能弧流聚集到金属表 面上一点，使该点金属迅速蒸发；而溅射是使离子或中性粒子轰击靶材得到 金属原子。 1 3 3 影响t i a l n 涂层制备的工艺因素 制各过程中，沉积参数一般有阴极弧流( 单金属阴极情况下) 、基体偏转 电源、气体分压、离子冲击造成的涂层和基体之间的中间层和磁场强度等。 这些参数主要影响涂层的成份、硬度、磨损性能及表面形貌。 1 靶材 在t i a l n 沉积过程中，用以制作阴极靶材的材料可以是纯金属a 1 、t i 或者t i a l 合金。一般来说，用t i a l 复合靶材制得的涂层均匀性要比分离t i 、 a l 靶制备的涂层好。t i a l 合金靶可以通过将t i 和a l 均匀混合后烧结、热 压制得，并且烧结温度对靶材的质量有很大的影响。提高烧结温度能够提高 靶材的密度，降低气孔隙率，并且随着温度的变化，靶材的成分也随之变化。 当烧结温度低于6 5 0 时，成分为纯t i + a l ；当温度范围在6 5 0 一9 5 0 之间 时，成分中含有t i a l 3 + t i 3 a l ；而高达9 5 0 后，得到的是t i a l 相。然而在 较低的烧结温度下，由于多相t i 和a 1 或t i a l 3 和t i 3 a l 的存在，使靶材不如 单一相那样容易被引发而不能得到稳定的弧流。但不论靶材的成分如何，最 终得到的涂层结构和性能与靶材的纤维结构无关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 偏转电压 除了合金靶的成分，基体的偏转电压也决定了涂层中a l 的含量，并且影 响涂层的显微结构。l i n 等发现在偏压大于1 0 0v 时，基体仍不会发生大的 屈服，另外，适当降低偏压能够改善涂层的抗磨损性能。c o l l 等发现：随着 偏压的上井，a l 含量会逐渐降低。并且较大的偏压时，涂层表面织构变得平 滑，从断面形貌看，涂层显出较细的晶粒和较低孔隙率，而有较细晶粒和削 孔隙率的涂层具有较好的保护和抗磨损性能。 3 气体分压 氮气分压同样影响涂层的性能。当氮气分压低于1 o p a 时，制得的涂层 与基体结合力较弱。在离子镀中，氮气分