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        多弧離子鍍沉積TiAlSiN涂層微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能分析

        2024-04-08 03:54:52陳亞奮董子豪
        金屬加工(冷加工) 2024年3期
        關(guān)鍵詞:結(jié)合力晶粒基體

        陳亞奮,董子豪

        廣東華升納米科技股份有限公司 廣東東莞 523826

        1 序言

        316L不銹鋼因其優(yōu)良的力學(xué)性能及金屬光澤,在食品、醫(yī)療、工業(yè)、能源及航空航天等領(lǐng)域都得以廣泛應(yīng)用。然而,在加工316L不銹鋼時(shí)會(huì)存在以下問(wèn)題:嚴(yán)重的塑性變形、加工硬化等;較高的機(jī)械載荷和切削溫度也使其加工過(guò)程中易形成長(zhǎng)切屑及發(fā)生粘刀現(xiàn)象;車(chē)削不銹鋼刀具磨損嚴(yán)重、壽命短,導(dǎo)致其表面質(zhì)量難以保證,屬于典型的難加工材料。

        采用環(huán)境友好型的PVD技術(shù)在刀具表面涂覆一層硬質(zhì)涂層,可以顯著提升刀具壽命。常見(jiàn)的涂層有TiAlN、TiSiN及TiAlSiN等。其中,TiAlSiN被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的先進(jìn)切削刀具用耐磨防護(hù)涂層。在TiAlN中摻入Si元素,可以形成非晶a-Si3N4包裹納米晶nc-TiAlN的納米復(fù)合結(jié)構(gòu),使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。XIE等[1]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Si含量達(dá)6.0%時(shí),TiAlSiN涂層表現(xiàn)出57GPa的超強(qiáng)硬度及優(yōu)異的斷裂韌性和黏附強(qiáng)度。PHILIPPON等[2]研究表明,S i的添加能夠細(xì)化晶粒,使膜層組織結(jié)構(gòu)更加致密。因此,TiAlSiN涂層被認(rèn)為在高速切削下具有更好的承載力。

        電弧離子鍍(Arc Ion Plating,AIP)技術(shù)是在真空環(huán)境中陰極靶材與真空室內(nèi)陽(yáng)極之間引發(fā)弧光放電,利用弧光放電蒸發(fā)靶材物質(zhì),并沉積到工件表面實(shí)現(xiàn)鍍膜的過(guò)程。該技術(shù)具有繞射性好、致密度高、附著力強(qiáng)、離化率大、膜厚均勻等眾多優(yōu)勢(shì)。

        2 試驗(yàn)方案

        采用華升平臺(tái)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的電弧磁控復(fù)合一體式設(shè)備(H A800)在304不銹鋼雙面拋光薄片(50m m×10m m×0.75m m)、硬質(zhì)合金塊(17mm×17mm×3mm)及車(chē)刀片(WNMG080408)上沉積TiAlSiN涂層。其中不銹鋼薄片用于殘余應(yīng)力的測(cè)試,硬質(zhì)合金塊用于微觀形貌、成分、硬度及結(jié)合力的測(cè)試,車(chē)刀片用于不銹鋼切削壽命測(cè)試。靶材為4塊Al50Ti50和2塊Ti85Si15。靶材放置位置如圖1所示。為活化基體表面保證后續(xù)涂層的良好附著,加熱之后進(jìn)行30minAr+刻蝕,先沉積一層TiAlN打底層,然后通過(guò)工件架的旋轉(zhuǎn)交替沉積T i A l N和TiSiN以形成TiAlSiN納米復(fù)合多層涂層。涂層溫度為540℃,基體偏壓為40~120V,工作壓強(qiáng)為3.0~4.0Pa,沉積時(shí)間約為2.5h。采取相同的處理辦法,沉積純T i A l N涂層。通過(guò)控制沉積時(shí)間,得到與TiAlSiN納米復(fù)合多層涂層一致的厚度。

        圖1 各個(gè)靶材放置位置示意

        采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(F E-S E M)觀察涂層的表面、截面形貌。采用X 射線能譜儀(EDS)分析涂層的化學(xué)成分。采用X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相結(jié)構(gòu),掃描速度2°/min,掃描范圍10°~90°;采用原子力顯微鏡AFM測(cè)試涂層表面的三維形貌及表面粗糙度。采用納米壓痕測(cè)試儀(NHT)測(cè)試涂層的硬度、彈性模量,測(cè)試載荷20mN,每個(gè)樣品測(cè)試15個(gè)數(shù)據(jù),去掉最值后取平均值。采用劃痕儀(RST)測(cè)試涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度,加載力150N,劃痕長(zhǎng)度3mm。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 微觀結(jié)構(gòu)

        圖2a、圖2b分別為T(mén)iAlSiN涂層和TiAlN涂層的微觀形貌。在弧光放電過(guò)程中,每一個(gè)弧斑都可認(rèn)為是一個(gè)小的蒸發(fā)源,擊穿面積小,加熱功率大,熔池內(nèi)金屬來(lái)不及蒸發(fā)從而導(dǎo)致一些較大的金屬液滴產(chǎn)生??梢?jiàn)涂層表面均呈現(xiàn)“大液滴”和“小淺坑”特征。大液滴的生成主要是由于熔融態(tài)的金屬液滴在涂層表面固化所致。偏壓作用致使荷能離子轟擊涂層表面,結(jié)合力較差的大液滴被離子轟擊發(fā)生剝離從而形成淺坑。TiAlN涂層表面缺陷更多,可見(jiàn)引入Si可使涂層的組織結(jié)構(gòu)更致密,晶粒尺寸細(xì)化,這與前人的研究基本一致[3]。圖2c、圖2d分別為T(mén)iAlSiN涂層和TiAlN涂層的斷面結(jié)構(gòu)??梢?jiàn)涂層厚度2.2μm,層間結(jié)合良好,未見(jiàn)明顯分層現(xiàn)象及柱狀組織結(jié)構(gòu)。圖2e、圖2f分別為T(mén)iAlSiN涂層和TiAlN涂層的化學(xué)成分分析。TiAlSiN涂層中各元素的相對(duì)原子含量依次為T(mén)i:34.12%,Al:15.88%,Si:1.5%,N:48.50%。TiAlN涂層中各元素的相對(duì)原子含量依次為T(mén)i:25.30%,Al:34.37%,N:40.32%。實(shí)際沉積后Ti與Al的比例相對(duì)靶材上元素的比例要大。推測(cè)原因是各元素的熔點(diǎn)不同,蒸發(fā)的產(chǎn)額不同導(dǎo)致。

        圖2 TiAlSiN和TiAlN的微觀結(jié)構(gòu)

        為進(jìn)一步研究TiAlSiN涂層的微觀結(jié)構(gòu),采用AFM在非接觸模式下分析TiAlSiN涂層和TiAlN涂層的三維形貌及表面粗糙度,如圖3所示。涂層表面均存在清晰的“大液滴”特征,相較于TiAlN涂層而言,TiAlSiN涂層的液滴數(shù)量明顯減少,這可能是由于Si引入細(xì)化晶粒導(dǎo)致的。TiAlN涂層和TiAlSiN涂層的平均表面粗糙度分別為38.89nm、64.39nm,這與前面兩涂層的表面形貌特征相吻合,再次說(shuō)明了Si的引入一定程度上可以細(xì)化晶粒,提升涂層表面質(zhì)量。

        圖3 TiAlSiN涂層和TiAlN涂層的三維形貌

        圖4為T(mén)iAlSiN涂層和硬質(zhì)合金基體表面的XRD譜圖?;w的譜峰較強(qiáng),這可能與涂層厚度較?。?μm)有關(guān)。其次,可見(jiàn)除硬質(zhì)合金的譜峰外,在42°存在TiAlN固溶體的衍射峰,未見(jiàn)Si及其相關(guān)化合物的衍射峰,推測(cè)其可能有少量固體溶在化合物中或形成無(wú)定形態(tài)的Si3N4化合物[4]。

        圖4 TiAlSiN涂層和硬質(zhì)合金基體表面的XRD譜圖

        3.2 力學(xué)性能

        圖5為T(mén)iAlSiN涂層及TiAlN涂層的納米硬度與彈性模量。TiAlSiN涂層納米硬度高達(dá)37.86GPa,彈性模量為606.41GPa,而TiAlN涂層納米硬度則為33.38GPa,彈性模量為466.28GPa。TiAlSiN涂層硬度較TiAlN涂層高,推測(cè)原因一方面是因?yàn)镾i元素的加入而形成的無(wú)定形態(tài)的Si3N4,包裹著晶粒使涂層的晶粒細(xì)化,使細(xì)晶強(qiáng)化后的涂層硬度提高,此外,非晶結(jié)構(gòu)能強(qiáng)化晶界進(jìn)而抑制位錯(cuò)的延伸,使涂層能夠承受更大的載荷[5],另一方面,與其涂層結(jié)構(gòu)也有一定關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)涂層調(diào)制周期達(dá)到一定程度時(shí),納米多層涂層結(jié)構(gòu)具有超硬效應(yīng),對(duì)于這種超硬效應(yīng)機(jī)理,國(guó)內(nèi)外已有很多相關(guān)研究。

        圖5 TiAlSiN涂層及TiAlN涂層的納米硬度與彈性模量

        采用劃痕法測(cè)試涂層與基體之間的結(jié)合性能。使用金剛石壓頭劃透涂層,并使之從基體表面連續(xù)剝離時(shí)的最小載荷即為膜基結(jié)合失效的臨界載荷Lc2。劃痕測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖6中方框處標(biāo)記位置為涂層從基體上剝落的起始點(diǎn),以該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載載荷為涂層的結(jié)合力??梢?jiàn)TiAlSiN涂層具有良好的結(jié)合力約為120N,TiAlN涂層的結(jié)合力約為75N。首先采用TiAlN作為底層可以增加涂層結(jié)合力;其次采用納米多層涂層結(jié)構(gòu)可以降低涂層的內(nèi)應(yīng)力,抵消因Si加入而產(chǎn)生過(guò)大的涂層內(nèi)應(yīng)力,從而保證了涂層結(jié)合力。優(yōu)異的涂層結(jié)合強(qiáng)度可以在切削加工時(shí)更好地保護(hù)刀具,使得涂層不被過(guò)早剝落,延長(zhǎng)刀具使用壽命。

        圖6 TiAlSiN涂層及TiAlN涂層的劃痕形貌

        3.3 切削測(cè)試

        切削刀具是牌號(hào)為WNMG080408-OMM的硬質(zhì)合金車(chē)刀片。被加工材料為316L不銹鋼,其中元素相對(duì)含量為C≤0.08%、Si≤1.0%、Mn≤2.0%、P≤0.045%、S≤0.03%、N i10.0%~14.0%、Cr16.0%~18.0%以及Mo2.0%~3.0%。工件尺寸為φ120mm×140mm的圓柱棒料。

        車(chē)削316L不銹鋼試驗(yàn)在CNKC-50H數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行。刀片裝夾在型號(hào)為B W L N R2525M08的刀桿上。設(shè)定恒線速度切削vc=200m/m i n,進(jìn)給量f=0.12mm/r,背吃刀量ap=1.5mm,采用外圓車(chē)削,潤(rùn)滑方式為乳化液冷卻。采用后刀面磨損量≥300μ m或刀尖發(fā)生崩缺作為失效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),對(duì)比兩種涂層的切削壽命(見(jiàn)圖7)。由圖7a可以看出,TiAlSiN單刃切削的平均壽命為24min,相較于TiAlN涂層(單刃切削壽命為16min)切削壽命約提升60%。對(duì)于連續(xù)車(chē)削而言,切削壽命主要與涂層的硬度、結(jié)合力及高溫氧化抗性有關(guān)。根據(jù)結(jié)果分析,TiAlSiN納米多層涂層的車(chē)削性能之所以優(yōu)于TiAlN涂層主要是由于Si細(xì)化晶粒的引入,使其涂層組織致密,進(jìn)而導(dǎo)致涂層具有較高的硬度、良好的結(jié)合力與優(yōu)異的高溫抗氧化性。圖7b為兩種涂層在同一時(shí)刻下的后刀面磨損值變化趨勢(shì),具體數(shù)值見(jiàn)表1。磨損前期(0~3)min,涂層的磨損狀況良好;磨損中期(6~9)min,兩種涂層磨損情況開(kāi)始出現(xiàn)差異。TiAlN涂層的磨損速率稍高于TiAlSiN涂層。隨著切削加工的進(jìn)行,磨損后期>9min,TiAlN涂層的磨損速率急劇增加,很快達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)。

        表1 TiAlSiN涂層和TiAlN涂層車(chē)刀片刃口磨損量隨時(shí)間變化情況 (單位:μm)

        圖7 兩種涂層切削壽命

        4 結(jié)束語(yǔ)

        TiAlN涂層表面缺陷較多,引入Si可使涂層的組織結(jié)構(gòu)更致密,晶粒尺寸細(xì)化,且TiAlSiN納米多層涂層有更小的表面粗糙度。

        TiAlSiN涂層比TiAlN涂層具有更高的顯微硬度和彈性模量,以及更優(yōu)異的結(jié)合力。

        TiAlSiN納米多層涂層的車(chē)削性能優(yōu)于TiAlN涂層,在相同加工時(shí)間表現(xiàn)出更低的磨損率和更高的加工壽命。

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