第八章 硬质膜PPT课件

硬质膜 HSS 1000 常见薄膜和基体材料的硬度比较 不同类型硬质镀层材料比较 还可合成多元氮化物如Zr Ni N硬度可达50GPa 多元膜可提高硬度 Balzers1980 FirstSuccessfulApplications TiNoncuttingtools 早期发展中 TiN以其色泽和综合性能获得用户认可 综合性能在摩擦学中以下述为主 硬度摩擦系数抗氧化性 TiN镀层钻头 钻头寿命和进刀量间关系 取实际使用值 TiN可提高3 4倍 新镀层 磨刃后 未镀 磨刃后 铝硅合金软基体硬质点TiCN比TiN效果好 钻孔数可提高至3倍 TiN和TiCN镀层的比较 TiCN比TiN硬但较脆 TiN加入C形成多元膜TiCN TiAlN已成为主要镀层 通过改变成分如选NbN ZrN等 形成多元素复合如TiSiN等以及多层镀如TiN AlN等的研究 表明TiAlN可以获得在性能价格比上最佳的效果 硬度 抗氧化 摩擦系数等均优于TiN 而Al又比Ti便宜 均一成分的单层在工艺上易控制 质量稳定 TiAlN硬度随Ti和Al相对量变化加Al后 TiN由25GPa增至TiAlN40GPa 硬度 杨氏模量 不同方法获得TiAlN硬度值不同 此处Al加入后 由TiN的HV2000增至3000 Ti Si N镀层硬度与Si含量的关系 TiN加入Si形成多元膜TiSiN TiNTi Si N 12 TiN加入Si后柱状晶消失 Ti Si NDiffractionpatterofTiN Optimizedatalevelofgrainsize TiAlSiNoptimizedatTi50 Si6 调配成分当Ti50 Si6 时TiSiN可获得最高硬度 达到43GPa Si的加入有利于高温硬度 溅射TiB2靶沉积TiBN膜 元素含量对TiAlBN薄膜性能的影响 TiN TiC加入B形成多元膜TiBN TiBC TiN中加Cr可稳定提高硬度 TiN中加入Cr形成多元膜TiCrN CrN镀层 CrNx以Cr为主要元素的镀层在九十年代初引起注意并发展起来 CrN具有较高韧性 比TiN更适合于冲击载荷下的应用 木工工具如带锯等 镀层均用CrN CrN抗氧化能力比TiN好 TiN不宜加工Cu 而CrN效果好 CrN硬度比TiN低 色泽也不如TiN SurfaceandCoatingsTechnology86687 1996 184 191DevelopmentofchromiumnitridecoatingssubstitutingtitaniumnitrideGiinterBerg Ti2N不出现而有Cr2NCrN沉积速率高4倍氮越高 沉积速率越慢CrN比TiN氮高3倍 N含量增加时由Cr转为Cr2N CrN CrN和TiN的硬度大体相当Cr2N获得窗口小 分散度也小 N含量增加时结晶状态的改变柱状晶特征有淡化趋势 硬度受晶粒度影响应该服从Hall petch关系 早期弧镀比较TiN和CrN 硬度磨损 TiN CrN TiN CrN 纳米CrN TiN和CrN TiN硬度和热稳定性比较 CrN和Cu间摩擦系数低有特殊优越性 对铜CrN和TiN显示很大差别TiN的耐磨性不如工具钢 钢 钢 CrN CrN TiN TiN TiN TiCN CrN和WC C镀层的性能比较 Cr9Al1NCr3Al1N 高铝有助抗氧化 外径95mm推力轴承和GCr15滚柱或镀ZrN止推板在油循环冷却下对磨 TiAlN虽然硬度高 但和ZrC相似 结合力均低 在80kN压力下易于剥落 故寿命低 尚不及未镀的GCr15 CrAlN各项性能均处于中等地位 表现出好的抗磨性 WC C镀层因摩擦系数低 虽然结合力不高 也有很高的抗磨性 Wear253 2002 WearresistanceofPVD coatingsinrollerbearingsAachenGCr15钢不同镀层磨损 GCr15的原始水平 Cr加入TiAlN明显地增加抗氧化性 CrTiAlN和TiAlN有相似的结合强度 CrTiAlN和TiAlN的比较 M35含钴高速钢6 8mm钻头1800rpm 38 5 min 进给0 28mm rev无冷却 灰铁 未镀 TiAlN TiAlCrNCr50 干钻灰铁CrTiAlN比TiAlN好 CrTiAlN CrN TiAlN的压入试验洛氏硬度150公斤 CrN CrTiAlN TiAlN TeerUDP获得结果 CrTiAlN性能 硬度 30GPa结合力 60N5mmWC球 40N加载 200mm s 1小时无明显磨损与TiN比 CrTiAlN钻孔数可多1倍左右 CrTiAlN WorkpieceMaterial PlainCarbonSteel EN9 190HV Tool TungstenCarbideDrills 6 4mm CoatingNumberofHolesCrTiAlN328Uncoated7 3185rpm 64m min 0 30mm revlubricated 7 5 oilconcentratedwaterbasedcoolant Holes Through 19mmdeep DrillingPerformance CrTiAlN WorkpieceMaterial AlloySteelEN24 363HVTool HighSpeedSteel 1 4 drills Holes Through 12 6mmdeep 2440rpm 48 7m min 0 11mm rev 268mm minlubrication 7 5 oilconcentratedwaterbasedcoolant CoatingNumberofHolesCrTiAlN232Uncoated0 DrillingPerformance CrAlTiNCr Ti在相当宽范围内稳定的硬度 结合力 PoD 5mm WC Coball 200mms 1 CrTiAlNCr Ti在相当宽范围内稳定摩擦磨损性能 DrillingSpeed 4050rpm equivalentto 80m min Feed 945mm minConditions Throughhole 20mmCoolant CimstarMB603 5 Drilltest CoatingDeposition CFUMSIP 1Ti 1Al 2Cr Ar N2OEMcontrolloop DepositionProcess CrTiAlN 多层膜 复合的方法除多元外可形成多层 层厚可降至纳米 成为纳米调幅结构 TiN NbN多层 5nm CrTiAlN镀程序 Substrate 高速钢基体1200目抛光 Crbondlayer 0 2 mCr底层 Gradedlayer 0 3 mCrTiAlN梯度层 4 mCrTiAlN多层 其中10nm 15nm CrN层 6 0nm A Matthews UniversityofHull U K FractureToughnesofasingle andmulti layer Multilayerswithamodulationofelasticmodulihinderthecrackspropagation 65 Ti 35 Al的TiAlN和WC形成调幅结构 波长为10 20nm 在TiN的底层上沉积TiAlN WC白色为TiAlN黑色WC Renucleationattheincoherentinterface TiN AlTiN和CrN TiN调幅周期与硬度理论曲线 Bufferlayerdecreasesresidualstress Bufferthicknessonscratchresults 摩擦系数和层数关系多层的摩擦模型 SurfaceandCoatingsTechnology163 164 2003 571 577Cr CrN层薄 磨损量低 Mono Multi 纳米晶超硬膜 纳米复合超硬膜结构示意图 纳米晶与非晶结构 纳米复合TiN晶粒尺寸与硬度关系 Ti Cu N多元膜中Cu 与硬度关