金属加工论坛-tialn涂层刀具的发展与应用

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tialn涂层刀具的发展与应用 作者:ctlove 时间:2007-5-22 9:47:00

第 1 楼

1 引言对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，随着涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具可以提高加工效率和加工精度，延长刀具使用寿命，降低加工成本。自20世纪70年代以来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。西方工业发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1978年的26%增加到1985年的50～60%。新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具。瑞典山特维克公司和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达80～85%以上。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片比例为80%，瑞典和德国车削用涂层刀片已占70%以上。1981年～1985年期间，前苏联的刀具产量增加了16%、硬质合金刀具增加了29%，而涂层刀具则增加了5倍。涂层刀具己成为现代刀具的重要标志，并将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种之一。 tialn涂层作为一种新型涂层材料，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，尤其适用于高速切削高合金钢、不锈钢、钦合金、镍合金等材料。在要求高耐磨性的场合下，鉴于tin涂层在高温性能方面所表现出的不足，tialn有望部分或完全替代tin，因此，tialn涂层刀具具有极其广阔的应用前景。自1985年knotek等首次发表了关于tialn涂层的研究成果后，人们便对其优异的抗高温氧化能力和良好的使用性能表示了极大的关注，已经用多种pvd方法成功制备了tialn膜。由于tialn涂层的制备方法不尽相同，已见报道的tialn涂层的性能也有差异。表1是几种常用涂层的主要性能比较(数据来源于balzers涂层有限公司)。由表可以看出，tialn涂层具有高的硬度和氧化温度，随着涂层的多层化和纳米化，tialn涂层的性能正在逐渐提高。tialn的化学稳定性好，抗氧化磨损能力强，其硬度为3400～3600hv)，耐磨性仅低于类金刚石膜，是目前国际工具行业最为推崇的超硬涂层。当al含量超过50%时，为了区别于tialn，有人称其为altin。altin涂层的硬度随含铝量的增加而提高，铝含量可以超过65%；当铝含量提高后也会形成较软的aln相，使其硬度降低，但是铝含量并不是影响硬度的唯一因素。altin的硬度可达4500hv。目前tialn/al2o3多层pvd涂层也已研究成功，这种刀具的涂层硬度可达4000hv，涂层数为400层(厚度5nm)，切削性能优于tic/l2o3/tin涂层刀具。表1 几种涂层的主要性能比较涂层材料微硬度 (hv) 弹性模量 (gpa) 最大适用温度(℃) 涂层结构 tin 2300 260 600 单层 ticn 3000 352 400 单层 tialn 3300 380 900 纳米结构 2 tialn涂层工艺涂层刀具的切削性能除与涂层材料有关外，在很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平，涂层与基体的结合强度、涂层及其界面组织结构、择优取向、各单涂层厚度及总厚度等都是决定涂层刀具性能的重要因素。下面就从基体与涂层材料的选择和涂层工艺参数两方面进行阐述。基体与涂层材料的选择对于涂层刀具材料而言，涂层与基体及不同涂层之间的物理匹配程度影响界面应力载荷传递及材料性能，其中尤以各层之间的热膨胀系数的匹配程度和弹性模量的差别对材料性能的影响最大。由于热胀失配程度和弹性模量的不同，在材料内部将形成大小及分布不同的残余应力场。从降低残余拉应力、提高材料强度的角度上讲，应使基体与涂层的热膨胀系数更接近，弹性模量差较小；但从残余应力增韧和微裂纹增韧、提高材料断裂韧性的角度来看，存在适当的残余应力又是必要的。tialn涂层刀具基体一般选用高速钢或硬质合金，比如yg6、yg8、超细晶粒wc-co硬质合金等，也可选陶瓷作基体。界面结合强度是影响涂层刀具性能的重要因素。除了选择匹配的材料外，在工艺中也可采取多种方法来改善tialn膜层与高速钢和硬质合金等基体的结合强度。如：成膜前进行预溅射清洗以除去不利于涂层与基体结合的杂质；成膜过程中用高能粒子轰击以提高膜基间组分相互扩散能力和膜表面原子的反应活性，降低缺陷的产生；引人如tial、ti等中间过渡层，由于过渡层与基体和过渡层与tialn膜层两者的结合强度显著高于tialn膜层与基体的结合强度，因而有了过渡层的tialn膜层的临界载荷明显增加，过渡层的厚度可明显影响膜层与基体的结合强度。当过渡层进一步增厚时，过渡层被剪断的几率增大，导致临界载荷缓慢下降。界面结合强度可通过自动划痕仪测量临界载荷来确定。涂层工艺参数一般来说，采用pvd工艺可获得比cvd工艺更薄的涂层，且与基体结合较为牢固，同时，pvd涂层的沉积温度较低，在600℃0以下时对刀具材料的抗弯强度无影响。可采用多种pvd方法来制备tialn涂层刀具，比如多弧离子镀、电弧离子镀、空心阴极离子镀、磁控溅射离子镀等。选择不同的涂层方法所得到涂层刀具的性能有一定差异。目前，表征tialn涂层成分的主要参数有：ral/ti和rm/n，用这两个参数可以全面反映ti、al和n三者原子在涂层中所含的比例。影响tialn涂层性能的主要因素有界面结合强度、涂层中al的含量以及涂层的成分和结构。多弧离子镀用多弧离子镀方法制备的tialn涂层刀具的涂层性能与靶材金属成分和工艺参数有关。一般说来，用tial复合靶制备的涂层的均匀性优于用分离ti、al靶制备的涂层。提高铝含量能较大程度地提高膜基结合力。但是，对于高al含量的tial复合靶材，目前在制备工艺上还存在一定的困难。tialn涂层的组成受从分压、阴极弧流及基板偏压等工艺因素的制约：随着n2分压的增加，ral/ti升高，rm/n减小；随着阴极弧流的增大，涂层中ral/ti减小，rm/n增大；随着基体偏压的升高，ral/ti和rm/n降低(见图1)。图1 基本偏压对tialn涂层成分的影响图2 膜层显微硬度及界面结合力随n2流量的变化空心阴极离子镀采用空心阴极离子镀方法沉积tialn膜层。镀膜的主要工艺参数有：主弧电流、烘烤温度、镀膜时间、氢流量和镀膜时的真空度。n2的流量影响刀具的硬度和界面结合力。如图2所示，随n2流量的增加，膜基结合力和膜层的显微硬度呈上升趋势，达到最大值后开始下降，因此存在一个最佳值，以使膜基结合力和膜层的显微硬度最优。采用空心阴极离子镀方法制备出的tialn膜层连续、光滑、组织致密，膜基结合力比tin膜层与基体之间的结合力有较大程度的提高，但相对于其它工艺还存在一定差异。表2 高能量密度脉冲等离子枪制备涂层的力学性能参数涂层材料纳米硬度 (gpa) 杨氏模量(gpa) 纳米划痕临界载荷(mn) tin 27 450 90 ticn 50 550 110 tialn 38 650 100 能量脉冲等离子枪中国科学院物理所自主开发的高能量脉冲等离升枪能同时兼顾离子注入、物理气相沉积和等离子体氮化等多种以真空为基础的表面处理技术的优点，可以改进陶瓷涂层切削刀具的磨损性能。影响薄膜沉积的工艺因素很多，包括脉冲等离子体枪内外电极间放电电压(枪压vgun)、脉冲等离子轰击试样次数、脉冲电磁进气阀电压、沉积室真空度、工作气体反应气压、等离子体枪和试样间的距离以及样品温度等，其中脉冲次数和枪压是最重要的两个参数。清华大学材料系用高能量密度脉冲等离子枪于室温下在硬质合金刀具基体上沉积了硬度高、耐磨损、膜基结合力强的tialn 薄膜，膜层的力学性能参数见表2。磁控溅射离子镀磁控溅射离子镀通过离子源对膜层进行离子轰击，是一种高温沉积工艺，工件一般要加热到300℃～5 00℃ 。此工艺克服了磁控溅射沉积速率低、离化率低和强烈基体热效应等缺陷，能显著提高膜基结合强度。非平衡磁控溅射离子镀用非平衡电源使约束在靶面附近的等离子体扩散到工件附近，提高系统的性能。非平衡磁控溅射以其优异的性能在国内外得到了广泛的应用。影响涂层性能的工艺参数有气体分压、偏压和沉积室的真空度、温度等。气体分压是指工作气体和反应气体的比值。在制备tialn涂层时工作气体为ar，降低ar的分压有利于提高镀膜速率、膜基结合强度和膜层致密度。随着ar分压的降低，工作气体从分压增大。n2不但与沉积在工件上的膜层原子反应形成化合物膜，同时还会与靶材反应在靶面上形成化合物，产生靶中毒现象，因此确定二个最优的n2分压值是很重要的。中频交流磁控溅射消除了“阳极消失”效应和“阴极中毒”问题，大大提高了磁控溅射运行的稳定性。

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