超晶格結構刀具涂層的制備工藝與性能研究

胡俊前,楊 群，黃德元

(1.蕪湖職業技術學院 機械工程學院，安徽 蕪湖 241006；2,奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241010)

在過去的幾十年中，涂層刀具廣泛應用于金屬切削加工中，解決了高硬度材料和高精度切削加工的問題。其中，以TiN和CrN為主體材料的單層薄膜涂層刀具，因硬度高、耐磨性好、易鍍膜、制造成本低而被廣泛用作切削刀具和沖裁模具涂層。但是，這種涂層的高溫抗氧化性能和切削韌性較差，不符合高速切削和干切削的加工工藝的要求。[1]隨著PVD(物理氣象沉積)鍍膜技術的發展，具有高切削性能的多層復合結構的超晶格涂層逐漸成為業界研究的熱點。

1 涂層的制備

1.1 設備和材料

多弧離子鍍膜是目前使用最為廣泛的一種刀具涂層制備裝置，具有工作空間大、靶座多等特點，可以滿足多種基材的濺射和沉積；反應氣體采用高純度的氮氣，工作氣體選用惰性較好的氬氣；靶材選用純金屬鉻靶以及AlCr靶和AlTiSi靶；鍍膜工藝采用三種基材的工作靶座進行輪次濺射和沉積的工藝模式；刀體為普通高速鋼。

1.2 工藝參數設置

1.2.1 本底真空度(5×10-2Pa)

本底真空度是進行沉積工藝前系統所能達到的極限壓力，本底真空度越高，雜質氣體就越少，沉積的涂層質量越高，但是過高的本底真空度，會增加工作氣體的用量，提高鍍膜成本。合適的本底真空度可以穩定工作氣體的流量和沉積工藝過程，提高涂層的質量。

1.2.2 涂層沉積溫度(450 ℃)

涂層沉積溫度直接影響膜層的生成、生長和膜層的性能。沉積溫度高，沉積速度加快，可以縮短生產周期，同時有利于提高涂層與基體的結合力。但是，沉積溫度過高，涂層工作晶粒會變得粗大，致使涂層的強度和硬度降低，同時使能耗增加，提高鍍膜成本。

1.2.3 反應氣體壓力(3 Pa)

反應氣體的壓力是指氮氣分壓力，直接關系到涂層的化學成分、組成結構和力學性能。實驗表明，N2分壓高，平均自由程大，涂層組織松散，內應力小，硬度降低；N2分壓低，平均自由程小，涂層組織致密，內應力大，硬度提高；但是過低的N2分壓，由于平均自由程變小，易造成濺射現象，影響沉積速率。[2]

1.2.4 靶源電流(20～100 A)

靶源電流直接關系到靶基的工作穩定性和涂層的沉積速率。靶源電流過小，靶材的蒸發速率小，沉積速度慢；靶源電流大，靶面易發生液化現象，從而影響靶基的工作穩定性，涂層的沉積厚度難以控制，涂層的表明質量也較差。

1.2.5 基材負偏壓(-900 V)

基材負偏壓主要作用是在鍍膜前對刀具基體表面進行轟擊清洗，增加涂層與刀具基體的附著力，提高刀具的的硬度和使用壽命，所以，使用多弧離子鍍膜沉積涂層時，基材負偏壓是一個重要的參數，直接影響鍍膜的效果和膜層的質量。

1.3 鍍膜時間設置

表1所列為鍍膜的過程和膜層的沉積時間。鍍膜時間實際包括兩個部分，第一部分是沉積前的預濺射時間，用于對基體材料進行轟擊和清洗。第二部分是膜層的沉積時間，包括所有靶材的轟擊和沉積時間。這一時間的長短不僅影響膜層的厚度，同時也對膜層的結構和物相組成產生較大的影響。[3]

表1 鍍膜過程和沉積時間

2 性能試驗及結果分析

2.1 涂層結構

圖1是利用JSM6360LVJ型電子顯微鏡和FEINANOSEM430型場發射掃描電鏡觀察到的涂層結構形態，層次結構明顯，利用球坑法可以測得工作層厚度為1.61 μm。

圖1 AlCrTiSiN超晶格涂層的結構

從內層到外層分別為粘附層(CrN)、過渡層(AlCrN)和工作層(AlCrTiSiN)，層與層之間交替生長形成具有共晶界面的超晶格結構，對涂層的高硬度、高耐磨性以及耐高溫性能起到決定性作用。

2.2 硬度與耐磨性

表2是使用MTS Nanoindenter XP型納米壓痕儀測量的不同種類涂層顯微硬度。結果顯示，具有超晶格結構的AlCrTiSiN復合涂層的硬度要遠高于其它兩種單層結構的涂層。

表2 各類涂層的硬度比較

進一步分析可知，之所以出現這種硬度的變化，是由于硅元素的存在改變了超晶格結構的晶格尺寸，形成硅基固溶體 TiAlSiN，拉大了膜層的晶格常數，產生固溶強化和晶格畸變，從而使膜層的硬度得以大幅度的提高。但繼續增加硅元素含量，反而使膜層的硬度出現急劇下降，原因是過量的硅元素會產生一種非晶態的Si3N4，使得晶界的阻斷位錯運動作用降低。如圖2所示：

圖2 Si含量對AlCrTiSiN涂層硬度的影響

圖3為600℃高溫下不同種類涂層摩擦系數的變化曲線。

圖3 Al含量對于涂層的摩擦性能的影響

試驗顯示，不含TiCN涂層在經歷一段穩定期后,摩擦系數突然升高，如圖中T0線所示。這主要是因為在摩擦的過程中，膜層中的碳元素因為氧化而流失，沒有了碳的減磨作用，從而導致摩擦系數增大；含鋁量較高的A2試樣AlCrTiSiN涂層的摩擦系數隨著摩擦的進行呈穩步下降趨勢，最后穩定在0.1以下，說明在磨合期內，因為鋁元素代替了碳元素發生氧化反應，產生氧化鋁物質起到減磨的作用，從而降低了摩擦系數。[4]

2.3 切削性能

表3是使用相同直徑的高速鋼基體不同涂層的刀具分別加工鑄鐵和45鋼時的切削壽命數據。

數據顯示，有涂層的TiN和AlCrTiSiN刀具比沒有涂層的高速鋼刀具的切削壽命平均高出1～6倍，涂鍍超晶格涂層AlCrTiSiN的刀具比TiN單涂層刀具的壽命有明顯的提高。說明AlCrTiSiN涂層是復合膜，形成了比較合理的硬度、組織成分和結合力的匹配。[5]

圖4為三種刀具切削45鋼時刀具后面磨損行貌圖。其中，左圖顯示高速鋼切削0.5小時后刀具后面磨損嚴重，已達到刀具的使用壽命；中圖顯示TiN涂層刀具切削1小時后刀具后面有一定的磨損，但未達到刀具的使用壽命；右圖顯示AlCrTiSiN復合涂層刀具切削1小時后刀具后面沒有明顯的磨損，刀具使用壽命明顯延長。

表3 不同刀具切削壽命比較

圖4 刀具后面磨損形貌圖

3 結論

(1)AlCrTiSiN復合涂層具有超晶結構，形成了硬度、組織成分和結合力的有效匹配，具有高耐磨性、高硬度、高溫抗氧化性強及切削壽命長等性能特點。

(2)AlCrTiSiN復合涂層制備對鍍膜的工藝參數要求嚴格，尤其是氮分壓、沉積時間和沉積順序對膜層的最終結構和物相組成有著非常重要的影響。

(3)由于Si和 Al的加入進一步提高了膜的硬度、高溫硬度和抗氧化性,從而進一步提高了切削刀具的使用壽命。[6]研究結果表明，具有超晶結構的AlCrTiSiN復合涂層對于提高金屬切削刀具的耐用度、高速切削及干切削方面具有廣闊的應用空間。