劉怡飛，李助軍，李兆南，蔡海鑒，田燦鑫

（1.廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510430；2.嶺南師范學院，廣東 湛江 524048）

0 引言

機械加工正朝著高速度、高精度、高效率和綠色制造的方向發(fā)展。在機械加工中，切削加工是應用最廣泛的加工方法之一。高速切削已成為切削加工的主流和先進制造技術的一個重要發(fā)展方向，實現(xiàn)高速切削以降低工時，成為加工生產(chǎn)率提高的重要手段之一[1-2]。高速切削對作為切削的關鍵零部件刀具提出了越來越高的要求。而傳統(tǒng)刀具無法滿足高速切削對先進數(shù)控加工工藝的要求。

90年代發(fā)展起來的超硬涂層刀具，集成了強度、韌性和硬度優(yōu)勢，兼具良好的耐熱性、抗高溫氧化性及潤滑性，得到廣泛的應用[3-5]。硬質(zhì)涂層材料TiN是最早開發(fā)并廣泛應用的刀具涂層，其優(yōu)點是與金屬親和力小，韌性比較好，溫度可達500℃，適于切削鋼材。但耐氧化性較差、硬度較低，不能滿足當前金屬切削對涂層性能的要求[6-10]；新型納米復合涂層TiBN是基于TiN和TiB2發(fā)展起來的多元涂層，是最具有吸引力和發(fā)展前景的涂層之一，TiBN多相涂層的性質(zhì)主要取決于涂層中納米晶和非晶相的相對含量，另外，涂層中B原子進入TiN晶格中形成非平衡過飽和固溶體，也顯著改善了涂層的機械性能[11-12]。

多弧離子鍍技術有較高的離化率（對于金屬靶材，離化率超過80%），是刀具涂層技術中使用最廣泛、最成熟的PVD涂層技術之一[13-14]，也是新型納米復合涂層制備的主要技術之一[15-16]。文中采用離子源輔助電弧離子鍍技術，在硬質(zhì)合金襯底上制備TiBN納米復合涂層，系統(tǒng)研究基底偏壓對TiBN涂層結構和力學性能的影響。

1 實驗

試驗使用離子源輔助電弧離子鍍系統(tǒng)，在單晶硅和硬質(zhì)合金襯底上制備TiBN納米復合涂層。實驗所用的襯底材料分別依次在波爾清洗液和去離子水中超聲清洗并烘干。極限真空5×10-3Pa。在Ar氣氛、2 Pa氣壓下，開啟離子源對工件進行等離子體清洗，以保證襯底表面清潔無污物。輝光清洗結束后，開啟金屬Cr靶，在800 V，0.5 Pa的Ar氣氣氛中對襯底進行金屬離子刻蝕，刻蝕結束后，降低偏壓在純N2氣氛中先沉積5 min CrN過渡層，再沉積40 min TiBN涂層。制備過程中溫度控制在300℃，總氣壓控制在0.7 Pa，具體工藝參數(shù)見表1。圖1為TiBN涂層結構示意圖，使用金屬Cr轟擊刻蝕，CrN作為過渡層，來提高TiBN涂層的膜基結合力?？偤穸却蠹s為2～3 μm。通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)涂層工藝運行。

圖1 離子源輔助電弧離子鍍系統(tǒng)

表1 TiBN涂層沉積參數(shù)

獲得樣品后，采用X射線衍射儀測定涂層的相結構，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡SIRION-200（FEI）觀察涂層表面形貌。硬度測量和附著力測量分別在HX-1000維氏顯微硬度計和MFT-4000多功能材料表面性能測試儀上進行。

2 涂層測試結果與結論

2.1 涂層的晶體結構

從圖2 X射線衍射譜中可以看出，在2θ＝35.9°有較強衍射峰，對應于面心立方（fcc）結構的TiN（111），在不同的基體偏壓條件下，涂層表現(xiàn)了（111）面擇優(yōu)生長。XRD圖譜中沒有發(fā)現(xiàn)TiB2相或BN相，說明二者以非晶態(tài)、亞納米晶態(tài)存在，或沒有形成Ti-B或B-N化學鍵。

圖2 Ti-B-N納米復合涂層結構示意圖

2.2 涂層的表面形貌

從圖3 SEM表面形貌圖中看以看出，當偏壓為-100V，真空比為80%時沉積的涂層最平滑，此后隨著偏壓繼續(xù)增加，涂層表面凹坑逐漸增加，這是由于在高偏壓下，高能粒子轟擊濺射作用，使得附著較弱的涂層表層大顆粒脫落產(chǎn)生凹坑所致。

圖3TiBN基涂層的XRD圖譜

2.3 涂層的機械性能

圖4 為TiBN涂層與基體附著力隨基體偏壓變化的關系曲線。隨著基體偏壓的增加，附著力逐漸減小，當偏壓為-150 V是達到最小值36 N，偏壓繼續(xù)增加到-200 V時，附著力增加到38 N。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖4 TiBN涂層的表面形貌圖

圖5 TiBN涂層的附著力隨偏壓變化曲線

從圖6中可以看出，隨著基體偏壓的增加，涂層的硬度也逐漸增加，在基體偏壓為-200 V時獲得最大值為3600 Hv0.05。當基體偏壓越大，粒子到達基體表面的能量也越大，高能粒子在基地表面充分遷移，涂層較為致密，同時高能粒子轟擊加熱作用使沉積的涂層具有較大的壓應力，所以硬度也較高。

圖6 TiBN涂層的硬度變化圖譜

3 結論

采用多弧離子鍍膜技術成功制備Ti-B-N超硬涂層，著重研究了基體偏壓對涂層結構和性能的影響：

1）XRD分析表明，TiBN涂層為面心立方結構。

2）隨著沉積偏壓的升高，涂層硬度逐漸增大，在-200 V偏壓下沉積的TiBN涂層的硬度最大，為3 600 HV。涂層附著力隨偏壓增大有減小趨勢。

3）偏壓對TiBN涂層的結構、附著力和顯微硬度影響明顯，涂層表面顆粒較少。高偏壓下TiBN涂層硬度較高，但附著力較差。