高能量密度脉冲等离子体制备高硬耐磨TiN涂层.pdf

第 3 9卷 2 0 0 3年6月 第 6期 5 6 1 5 6 4 页 仓 扁 学 坂 ACTA M ETALLURGI CA SI NI CA、厂 o1 3 9 J une 2 0 03 NO 6 P P 5 61 5 64 高能量密度脉冲等离子体制备高硬耐磨 T i N 涂层 彭志 坚 苗赫 濯 齐 龙浩 龚江宏(清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 4)杨 思 泽 刘 赤 子(中国科学院物理研究所，北京 1 0 0 0 8 0)摘 要 用高能量密度脉冲等离子体于室温下在硬质合金刀具上成功淀积了高硬耐磨 Ti N 涂层实验结果表明，涂层与基体有 强的结 合力，纳米划 痕实验 临界载荷 达 9 0 mN 以上；Ti N 涂层 具有很高 的硬度 和 Yo u ng S模量，分 别达 2 7和 4 5 0 GPa以 上涂层 刀具切削 实验表 明，刀具可 用于硬 度高达 HRC58 6 2的 Cr W M n 钢切 削，且磨损 量较 低，寿命 长 关键词 高能量密度脉冲等离子，Ti N 涂层，硬质合金，刀具 中图法分类号TB 4 3，04 8 4 4 文献标识码 A 文章编号0 4 1 2 1 9 6 1(2 0 0 3)0 6 0 5 6 1-0 4 H A R D A N D W EA RR ESi STAN T TI TAN I U M N I TR I D E C oATI N G S D EPo SI TED BY PU LSED H I G H EN ER G Y D EN SI TY PLA SM A FoR CU TTI N G To o LS PENG Z h i j i a n MI AO He z h u o QI Lo n g h a o G0NG J i a n g h o n g S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Ne w Ce r a mi c s a n d Fi n e Pr o c e s s i n g，Ts i n g h u a Un i v e r s i t y，Be i j i n g 1 0 0 0 8 4 G Si z e LI U Ch，i z i I n s t i t u t e o f Ph y s i c s，Th e Ch i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s，Be i j i n g 1 0 0 0 8 0 Co r r e s p o nd e n t：PENG Z h i i i a n T e l：(0 1 0)6 2 7 7 3 3 9 5 E ma i l：p e n g z h i a n o o ma i l s t s i n g h u a e d u c n I an us c r j pt r e c e i ve d 2 002 0 8 1 6i n r e vi s e d f or m 2 00 2 1 0-3 0 一 A B STR A C T Ha r d a nd we a r r e s i s t a n t t i t a ni um n i t r i d e c oa t i ngs we r e de pos i t e d on t o c e m e nt e d c a r bi de c ut t i ng t o ol s by pu l s e d hi g h e ne r g y de ns i t y pl a s ma t e c hni q ue a t a m bi e nt t e m pe r a t ur e The a dhe s i v e s t r e ngt h of Ti N fi l m t o t he s ubs t r a t e ha s be e n s a t i s f a c t o r y wi t h v e r y hi g h c r i t i c a l l oa d up t o m o r e t ha n 9 0 m N me a s u r e d by na no s c r a t c h t e s t e r，du e t o t he i m pl a nt a t i on e f f e c t o f t h e pul s e d pl a s m a Na no i nde n t a t i o n t e s t s s h o w t ha t t he Ti N fil m s pos s e s s v e r y hi g h na no ha r d ne s s f mor e t ha n 2 7 GPa 1 a n d Yo u n g S mo d u l u s(n e a r t o 4 5 0 GPa 1，o wi n g t o t h e r a d i a t i o n h a r d e n i n g e ff e c t a n d s o l i d s o l u t i o n s t r e ng t he ni n g e f f e c t o f t he pu l s e d pl a s m aTh e we a r r a t e o f t he c u t t i ng t o ol s i S r e duc e d dr a m a t i c a l l y be c a us e o f t he de po s i t i on o f t i t a ni um ni t r i d e c o at i ng s The e dg e l i v e s o f t he c oa t e d t o ol s a r e e xt e nd e d by f a c t o r s o f 2-3 c o m pa r e d t o t he unc oa t e d t o ol s I n add i t i on，t he fi l m s c o ul d be opt i m i z e d b y v a r yi ng t h e d e p o s i t i o n c o n d i t i o n s，i n c l u d i n g t h e p u l s e d n u mb e r(p)a n d t h e d i s c h a r g e v o l t a g e()b e t w e e n t he i nne r a nd o ut e r e l e c t r ode s K EY W 0 R D S pu l s e d hi g h e ne r g y de n s i t y p l a s m a，Ti N c oa t i ng，c e m e nt e d c a r bi de，c ut t i ng t o o l 工业设计 在很大程 度上决 定了工业 生产过程 的质量 和成本，提 高机械加工和成型工艺的效率是工程 人员的 目 标，但是单一材料难于满足极端条件下切削和成 型刀具对 材料的要求，必须依靠复合材料来实现这一 目标，其中薄 膜技术起着重要 作用【J 在现代工业 中，许多薄 膜材料凭借其抗磨损、耐腐蚀、外观美，甚至光、电、热性 能好等特 点而受到 人们的青 收到 初稿 日期：2 0 02-0 8 1 6，收到修 改稿 日期：2 0 0 2 1 0 3 0 作者简介：彭志坚，男，1 9 6 4年 生，博士 睐，其 中 Ti N 薄膜能满足大多数薄 膜需要【3 4 J 常用的刀具薄膜淀积工艺有物理气相淀积(P VD)和 化学 气相淀积(CV D)其中，CVD 法常用在硬质合金 刀具 上淀积薄膜，但是它需要在高温(7 5 0 1 0 0 0)下 进行，并使用特殊前躯体来 降低反应温度，因此能耗 高，环境污染严重 与 CVD法相 比，PVD 法对环境友好，适 合于淀积三 元和多元亚稳定薄膜 其淀积温度低 f 1 8 0 5 0 0)，不会降低基体硬度，但是存在薄膜与基体结合力 不够理 想以及 淀积速率太低 的问题 _ 4 j 闫鹏勋等人 5-7 J 对高能量密度等离子技术在 GCr 1 5 钢基体上淀积 Ti N 薄膜进 行了研究，但在硬质合金及其 维普资讯 5 6 2 金属学报 3 9 卷 切削刀具上淀积 Ti N 薄膜，并用纳米亚痕实验表征这种 薄膜却未见报道，本文于室温下在硬质合金刀具上成功地 淀积了高硬度、高模量、耐磨损、且膜基结合 良好的 Ti N 薄膜 1 实验 方法 基 体 材料 为株 州 硬质 合 金 刀 具 厂 生 产 的 S NGN 1 2 0 4 0 8 0 3 x 3 0。硬质合金切削刀片 f 牌号 YG8)部 分测试 样品镀膜前 用金刚石研 磨膏抛光 至平均表面粗 糙 度 R 0 0 2 m 采 用中国科学院物 理所研制 的 同轴等 离子体枪 淀积 涂层，该设备具有高的能量密度，其工作原理和等离子体 参数见文献 f 7 9 1 本实验工作气体为 9 9 9 氮气，同轴等离子体枪 内 外电极材料均 为纯 Ti、薄膜淀积工艺条件 为：镀膜室基底 真空度约 1 0 Pa，氮气进气气压约 2 0 X 1 0 Pa，样品温 度为室温，枪样距 3 0 mm，脉冲进气阀工 作电压 1 5 k V，脉冲等离子枪 内外电极 间的放 电电压为 1 5 3 5 k V，脉 冲等离子轰击样品次数(脉冲次数)为 2 4 0次 纳米硬度和纳米 划痕实验 在美国 MTS 公司生产的 XP 型纳米 压痕仪 上进行，动态 加载模式 薄 膜厚度 用 Wy k o MHT I I I 型光学显微镜测定光 电子能谱(X PS)和 A u g e r电子能谱(AE S)分别用 PHI 一 5 3 0 0 E S CA和 P HI-6 1 0 S AM 谱仪收集x射线衍射谱(XRD)用理学 D ma x RB记录样品显微组织用 J s M一 6 3 0 1 F扫描电 镜拍摄 涂层刀具的切削实验 由北 京清 华紫光方大高技术 陶瓷有限公司完成，被切 削材料为 Cr W Mn钢(HRC5 8 6 2)，吃刀深度 a=0 2 mm，进刀量 f=o 1 mm r 2 实验结果与讨论 2 1 薄膜组成与分布 薄膜厚度和 电极 材料、基体材料、脉冲次数(。)、枪压()以及枪样距(d)等因素有关图 1是典型样品 的 AES分析结果，从图中 N 和 Ti 元素 的组成和分布可 见，给定条件下涂层总厚度约为 2 5 m，这和光学显微镜 测得的涂层厚度基本一致；涂 层和基体 间有一个宽的混 合 界 面，N 和 Ti 二元素渗入硬质合金基 体约 2 5 0 n m，这 表 明涂层和基体之 间有一个平缓的组 成和结构过渡，涂 层 和基体结合 良好涂层和基体之 间宽 的混合界面来 自于高 能量密度脉冲等离子体的注入效应-7 J 图 2是典型样品 XPS全谱该图表明，给 定条件下 的涂层表 面没有 W 和 Co等 元素，除污染 0 和 C 外，Ti 和 N 原子 比约为 1 1，接近 Ti N 化学计量 比，可以认 为涂层主要成分是 Ti N 图 1中涂层表面 C，W 和 Co的 存在与样品表面溅射有关 典型样 品的 XRD 图谱如 图 3 所示从图 3可 以看出，镀膜后样 品主要衍射峰分别对应 面心立方 T 相 的 1 1 1和 2 0 0晶面衍射，品格常数 约为 0 4 2 3 r i m 这表明，经脉冲等 离子体轰击后，硬质合金表 面成功淀积了 T 薄膜 XPS和 XRD 均没有探 测到 图 1 典型样 品的 Au g e r深 度分布 图 F i g 1 AE S a n a l y s i s f o r t y p i c a l c o a t e d s a mp l e(s p u t t e r i n g r a t e b y Ar+e t c h i n g 2 5 n m mi n；s y n t h e s i s c o n d i t i ons：=35 kV，yp=l _ 5 k V，PN2 2 0 x 1 0 Pa，d=3 0 mm，Np=-2)图 2典型 样品表面 XPS全谱 Fi g 2 Sur f ac e X PS a nal ys i s fo r a t ypi c al c oa t i n g s a m-p l e(s y n t h e s i s c o n d i t i o n s：=3 5 k V，=1 5 k V，P N 22 0 x i 0 P a，d=3 0 mm，p：5)W C Co a t i n g TlN W C c 】：!式哎 圉 3典型样 品的 X 射线 衍射谱 Fi g 3 XRD p a t t e r n s o f t y p i c a l s a m p l e s f s y n t h e s i s c o n d i t i ons：=3 5 kV，=1 5 kV，PN2 2 0 x 1 0 Pa，d=3 0 mm，Np 2)维普资讯 6期 彭 志坚 等：高能量 密度脉冲等离子体制备高硬耐磨 Ti N 涂层 5 6 3 Ti(C，N)的存在，尽管它对刀具磨损性能有利 2 2薄膜显微结构 图 4是典型样品的 S EM 表面形貌图从图可知，硬 质合金基体表面氮化钛涂层颗粒细小而且 比较均匀，无大 的空洞但需要指 出的是，样 品表面某些 区域会 出现微裂 纹，脉冲次数较 多的样品表面有位错存在，这是脉冲等离 子体的注入效应引起 的 5-8 J 光学 显微镜测得抛光样 品 上涂层的表 面平均粗糙度为 R 0 0 6 z m，这有利 于提 高 涂 层刀具 的切削精度 2 3 涂层刀具性能 划痕实验 的临界载荷()是表征薄膜与基体结 合力 的重要直观参数图 5表示 了在硬 质合金刀具表面淀积 的 Ti N 薄膜纳米划痕实验 临界载荷随 脉冲次数以及同轴 等离子体枪 内外 电极之间 电压()的变化规律从图 5 可知，随着等离子脉冲次数增加，纳米划痕实验 临界载荷 逐渐增大，最后趋近 一个常数；随着同轴等离子 体枪内外 电极之间 电压增大，划痕 实验 临界载荷逐渐增大，在本实 验条件下，最大超过 9 0 mN 尽管脉冲次数不同，当在等 图 4典 型样品 的 S EM 表面 形貌 Fi g 4 L o w(a)a n d h i g h(b)ma g n i fi e d S E M mo r p h o l o g i e s o f s am pl e s ur f ac e de pos i t e d b y Ti N fil m，s h ow i ng ho-mo g e n e o u s d i s t r i b u t i o n o f Ti N p a r t i c l e s(s y n t h e s i s c ondi t i ons：=3 0 kV，=1 5 kV，PN2 2 0 1 0 Pa，d=3 0 mm，Np=2)离子体 参数相同情况下淀积薄膜时，脉冲次数增加 只会使 薄膜厚度增大，薄膜性 能并无 明显改变，故 临界载荷逐渐 接近 一个常数；而 增大，等离子体 密度、能量、温度 以及射速都会增大，离子注入和扩散使薄膜渗 入基体会更 深，膜基界面 区更宽，膜基结合更好，划痕实验 临界载荷 更大，有利于提高薄膜 的磨损性能 图 6和 7分 别表示薄膜纳米硬度和 Yo u n g S模量分 别随 v 以及 的变 化情况从图可见，所淀积 T i N 涂 层具有 比硬质 合金高得 多的纳米硬度和 Yo u n g S模量，且薄 膜纳米硬度和 Yo u n g S模量随 和 的变化与 纳米划痕实验临界载荷随二者变化基本一致，即：薄膜纳 米硬度 和 Yo u n g S模量随着。增 加逐 渐增 大，最后趋 近一 个常数，发生这种变化的原因与纳米划痕 实验临界载 荷相同；随着同轴等离子体枪 增大，辐照硬化和 固溶 强化作用增强，薄膜硬度和 Yo u n g S模量增大 硬质合金 刀具不能对 Cr W Mn钢进 行正 常切削，经 图 5薄 膜划痕实 验临界 载荷与 p和 的关 系 F i g 5 C r i t i c a l l oa d Lc a s f unc t i o ns o f num be r o f pul s e Np an d g un v ol t ag e f or T i N fil m o n W C s ubs t r at e m e a s ur e d by na nos c r a t c h m e t h od 图 6 Ti N 薄膜 纳米硬度和 Yo u n g S模量 F i g 6 N a noha r dne s s H an d You ng S m odu l us E o f t he t i-t a ni um ni t r i de fi l m de po s i t e d on WC s ubs t r a t e a s a f u n c t i o n o f t h e n u mb e r o f p u l s e(s y n t h e s i s c o n d i t i o n s：V g=3 0 k V，P N 22 0 X 1 0 P a，d=3 0 mm)维普资讯 5 6 4 金属学报 3 9 卷 常发生崩刀现象，而在本实验条 件下淀积 的 T i N 涂层刀 具却可 以用来进行切削工作，图 8反映 了涂层刀具在切削 实验中后面 磨损 的变化由图可 见，即使 在较高 的车削速 度下，本实验涂层 T 刀具磨损量仍然较小且 随着涂 层的增厚和枪 压增大，涂 层刀具 寿命(指第一次改变切削 条件时每个刀尖能正常使用的时间)更长(见图 9)，涂层 刀具的最大寿命超过 3 5 mi n 可 见，这种 Ti N 涂层可大 幅度提高刀具 的耐磨性和使用寿命 在 磨损实验 中游离碳 存在可能还具有润滑作用 Q-o u J 圉 7纳米硬 度和 Yo u n g S模 量与 的关 系 F i g 7 Nano har dne s s a nd Youn g S m odul us E of t he T i N fil m de pos i t ed o n W C s ubs t r a t e a s a f un c t i on o f t h e g u n v o l t a g e(s y n t h e s i s c o n d i t i o n s：P N 2 2 0 X 1 0 P a，d=3 0 mm，p=5)Cu t t i n g s p e e d v m，mI n 图 8后面磨 损与切 削速率 的关系 F i g 8 Fl a nk wea r a s a f un c t i on of c ut t i ng s pe e d f o r t o ol s c oa t e d w i t h T i N fil m s w h en C r W M n s t e e l c u t(，一 f e e d a mo u n t，a f e e d d e p t h，L c u t t i n g d i s t an c e；s y nt h e s i s c ondi t i ons：vg=3 0 kV，=15 kV，P N 22 0 X 1 0 P a，d=3 0 mm，1)=5)Gu n v o lt a g e v t k V Nu mb e r o f pu ls e Np 图 9涂 层刀具使 用寿命与 p和 的关 系 F i g 9 Edg e l i f e o f t h e c u t t i ng t ool s c o at e d w i t h T i N fil m s a s f unc t i on s o f t he p ul s e num be r and t he g un v ol t a g e(s y n t h e s i s c o n d i t i o n s：=2 5 k V，=1 5 k V，P N，2，0 X 1 0 P a，d=3 0 mm，=5)3 结论 室温下，高能量 密度 同轴等离子体枪在硬质合金刀具 表面成功淀积了 T i N 薄膜所得的 Ti N 薄膜结构均匀，薄膜与基体结 合 良好；薄膜具有高的纳米硬度和 Y o u n g S 模量；T i N 涂层刀具耐磨损性能 良好，明显提高 了刀具 寿命 参考文献 1 Kn o t e k O，L ff l S e r F，B a r i ma n i C，Kr a e me r G Ma t e r S c i FD r u m 19 97；2 46：29 2 R a y A K Ma t e r S c i F o r u m，1 9 9 7；2 4 6：6 1 3 On a t e J I，Co l l i g o n J S V a c u u m，1 9 9 4；4 5(1 0 1 1)：9 9 5 4 P e n g Z J，Qi L H，L i u D P，L i W Z，Mi a o H Z J Ma t e r Sci Eng，20 03；21：11 0 (彭 志坚，齐龙 浩，刘 大鹏，李文 治，苗赫濯 材 料科学 与工程 学报，2 0 0 3；2 h 1 1 0)5 Y a n P X，Y a n g S Z，L i B，Ch e n X C C h i n S c i Bu l l，1 9 9 4；3 9：1 54 7 (闫鹏勋，杨思泽，李兵，陈熙琛科学通报，1 9 9 4；3 9：1 5 4 7)6 Y a n P X，Y a n g S Z，C h e n X C Ac t a Me t a l l S i n，1 9 9 4；3 0：5 03 (闰鹏勋，杨思泽，陈熙琛金属学报，1 9 9 4；3 0：5 0 3)7 Y a n P X，Y a n g S Z，L i B，Ch e n X C Nu c l l n s t r Me t h P h ys Re s B，1 9 95；95 B：5 5 8 S h e n Z G，L e e C H，wu C，J i a n g D Y，Y a n g S Z Ma t e r Sc i，1 99 0；2 5：31 3 9 9 Wu C，J i a n g D Y，Yu a n D P，Y a n g S Z，S h e n Z G，L i C X N uc l Fus i on Pl a s m a Phy s 1 9 89；9：1 78 (吴 成，江 德仪，袁定朴，杨 思泽，沈 志刚，李 椿萱 核聚 变 与等离子体 物理，1 9 8 9；9：1 7 8)u lE 一价 一00 l 0 l l D 山 叮 0 0 c p J 叮 c 0c 叮z EE J e c B l 维普资讯