TiAIN涂層刀具的抗高溫特性研究*

劉愛華 鄧建新 顏 培 劉文清

（①山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；②山東法因數(shù)控機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)南 250101）

TiAIN涂層刀具的抗高溫特性研究*

劉愛華①鄧建新①顏 培①劉文清②

（①山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；②山東法因數(shù)控機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)南 250101）

對(duì)生產(chǎn)中使用較多的多弧離子鍍Ti0.45Al0.55N涂層進(jìn)行了高溫特性研究。采用SEM、EDS、XRD等方法考察了高溫后的涂層表面并分析了涂層的失效機(jī)理，最后考察了溫度對(duì)硬度的影響。結(jié)果表明：TiAlN涂層的最高抗氧化溫度可達(dá)800℃；氧化及涂層與基體的熱漲適配是涂層失效的主要原因；并得知TiAlN涂層刀具在高溫下仍能保持高硬度。

TiAlN 涂層刀具 高溫特性 氧化 硬度

TiAlN薄膜是在TiN基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種Ti系新型多元薄膜涂層材料。它具有高硬度、高的氧化溫度、好的熱硬性、附著力強(qiáng)、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性［1－3］，是硬質(zhì)合金涂層刀具中應(yīng)用最廣泛的涂層材料之一。

隨著綠色設(shè)計(jì)和制造在機(jī)械加工行業(yè)內(nèi)的推廣，在金屬切削中一般使用高速的干式切削。因此刀具必須能夠承受高溫環(huán)境，而TiAlN涂層刀具正好滿足這一要求。由于Al元素的存在，TiAlN涂層刀具在使用過程中的高溫作用下，其表面可生成一層化學(xué)性能非常穩(wěn)定的Al2O3薄膜，保護(hù)涂層不被繼續(xù)氧化，這是TiAlN涂層刀具能夠應(yīng)用于高速干切削以及一些難加工材料的重要原因［4］。因此，關(guān)于TiAlN涂層刀具的研究中，抗高溫特性成為研究熱點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選用工業(yè)生產(chǎn)中常用的TiAlN涂層刀片進(jìn)行抗高溫實(shí)驗(yàn)。WC+Co硬質(zhì)合金基體，多弧離子鍍方法鍍層，涂層成分為 Ti0.45Al0.55 N。

將刀片材料放入電阻爐（型號(hào)為KSY12－16）于空氣中分別加熱到200℃，400℃，500℃，600℃，700℃，800℃，900℃，并保溫1 h，再通過SEM、EDS方法檢測(cè)并分析試樣高溫后的微觀形貌及抗高溫的機(jī)理；最后對(duì)涂層材料進(jìn)行X射線衍射分析，研究涂層刀具的抗高溫氧化溫度及氧化產(chǎn)物。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同實(shí)驗(yàn)溫度后的微觀形貌

圖1為TiAlN涂層在不同實(shí)驗(yàn)溫度后的SEM形貌。從圖中可以看出，涂層經(jīng)過500℃、600℃和700℃的高溫后，涂層的微觀形貌變化不大。但是可以明顯地看出隨著溫度的升高，涂層表面組織更加致密，到700℃時(shí)幾乎完全覆蓋了基體上的磨痕。到800℃時(shí)，涂層開始剝落，而003區(qū)域有白色晶體析出。表1為圖1d中001、002和003區(qū)域的EDS分析結(jié)果。從分析結(jié)果可以看出，800℃時(shí)涂層氧化，隨著W、Co元素的增多，說明基體元素已經(jīng)暴露出來，表明此時(shí)涂層失效。

表1 涂層剝落部分的EDS分析結(jié)果（800℃）

2.2 不同實(shí)驗(yàn)溫度后的X射線衍射分析

圖2為TiAlN涂層經(jīng)過不同溫度后的X射線衍射分析結(jié)果。由圖中可以看出，在室溫下，除了TiAlN的波峰外，受基體的影響出現(xiàn)了WC的強(qiáng)峰，并且直到700℃，光譜幾乎沒有改變。只是隨溫度的提高，波峰的寬度變大，說明涂層的結(jié)晶情況變差；且波峰有少量的偏移，這種現(xiàn)象可能是由于高溫使得涂層內(nèi)的應(yīng)力釋放造成的［5］。在 800℃時(shí)，圖譜中除了基體和TiAlN以外，還出現(xiàn)了W、Al和Ti的氧化物WO3、Al2O3、TiO、TiO2。說明直到700℃涂層保持穩(wěn)定，800℃涂層開始氧化。這與微觀形貌所反應(yīng)出的現(xiàn)象相符。

2.3 TiAlN涂層的高溫氧化機(jī)制及失效機(jī)理

通過以上的檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，TiAlN涂層的氧化溫度為800℃，表現(xiàn)出很好的高溫抗氧化性能。通過熱力學(xué)計(jì)算，TiN與TiAlN的氧化反應(yīng)能分別為136 J/mol和456 kJ/mol，可見TiAlN與氧更難發(fā)生反應(yīng)，所以TiAlN優(yōu)良的抗高溫氧化性能與所含的Al元素有密切的關(guān)系。TiAlN涂層的氧化主要是擴(kuò)散控制型反應(yīng)。王永康等人［6－7］的研究發(fā)現(xiàn)在700℃以下，涂層的氧化主要是O原子向涂層內(nèi)部的擴(kuò)散過程，Ti原子和Al原子的擴(kuò)散作用較弱。而在更高溫度下，涂層中除O原子繼續(xù)向涂層內(nèi)部擴(kuò)散外，涂層中Al原子向涂層表層的擴(kuò)散作用也較為明顯。由于Al原子與O原子的親和性好，TiAlN涂層在氧化的過程中Al原子會(huì)向涂層的表層擴(kuò)散，氧化生成連續(xù)致密完整的Al2O3。TiAlN一旦發(fā)生氧化，還會(huì)生成TiO2相。陳利［8］用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了800℃環(huán)境下Al和Ti分別向涂層的表面和內(nèi)層富集的分層現(xiàn)象。而氧原子在Al2O3與TiO2中的擴(kuò)散能分別為460 kJ/mol和251 kJ/mol，也就是Al2O3更能夠阻止O2向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，從而阻止了氧化的繼續(xù)進(jìn)行；另外研究者發(fā)現(xiàn)，在很大的溫度范圍內(nèi)，Al2O3都比TiO2穩(wěn)定［2］。因此在高速切削中刀具外層的Al2O3氧化膜致密，與工件材料的親和力小，有良好的熱屏蔽作用；而內(nèi)層TiO2氧化膜使得切削熱不會(huì)集中在刀尖或刀刃處，容易被切屑帶走。這些都為TiAlN涂層刀具優(yōu)良的切削性能提供了保障。

從TiAlN涂層加熱后的微觀形貌可以看出，隨溫度的升高，表層的單細(xì)胞密度降低，氧化物產(chǎn)生了體積膨脹，最終涂層剝落。涂層的失效主要是由于氧化及涂層與基體的線膨脹系數(shù)不同引起的。對(duì)于涂層刀具材料而言，涂層與基體及不同涂層之間的物理匹配程度影響界面應(yīng)力、載荷傳遞及材料性能，其中高溫下尤以各層之間的線膨脹系數(shù)的差別對(duì)材料性能的影響最大［9］。對(duì)于YG6的硬質(zhì)合金其線膨脹系數(shù)為3.5×10－6K－1，而 TiAlN 涂層的在 5.7 ×10－6K－1和 9.4 ×10－6K－1［10］之間。在高溫下由于線膨脹系數(shù)的差別引起的應(yīng)力會(huì)使涂層開裂和剝落。

2.4 高溫后TiAlN涂層的硬度變化

為了驗(yàn)證TiAlN涂層能夠在高溫下使用，對(duì)高溫處理后的涂層進(jìn)行了硬度測(cè)量。試樣在型號(hào)為MH－6的顯微硬度計(jì)上進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，加載載荷為50 g，時(shí)間保持10 s。圖3顯示了涂層的硬度隨溫度變化的曲線。從圖中可以看出，直到600℃，溫度對(duì)涂層的硬度變化影響不大，這就說明TiAlN涂層在高溫下仍能保持高硬度。但之后涂層會(huì)隨著溫度的升高而變軟，硬度急劇下降。因?yàn)榇藭r(shí)形成了相對(duì)較軟的、非晶態(tài)的Al2O3。涂層經(jīng)900℃高溫后硬度不能測(cè)量是因?yàn)榇藭r(shí)涂層已經(jīng)全部氧化了。從這一點(diǎn)也可以看出，高溫下TiAlN涂層的嚴(yán)重氧化會(huì)影響其高溫下的機(jī)械性能［11］。

3 結(jié)語

（1）TiAlN涂層刀具具有很強(qiáng)的抗氧化能力，這歸功于涂層氧化后在表層生成的致密Al2O3能夠有效阻止氧化的進(jìn)行。

（2）TiAlN涂層在高溫下失效主要是因?yàn)檠趸巴繉优c硬質(zhì)合金基體的熱膨脹不同引起的。高溫下的熱漲適配使得涂層開裂剝落。

（3）TiAlN涂層刀具在高溫下仍能夠保持高硬度，為金屬高速切削提供了有利條件。

［1］R.Bunshah.Handbook of Hard Coatings，Noyes Publicationsy William Andrew Publishing，New York，2001.

［2］F.Klocke，T.Krieg.Coated tools for metal cutting features and applications［J］，Ann.CIRP 1999，48（2）：515－525.

［3］S.Kamiya，H.Nagasawa，K.Yamanobe，et al.A comparative study of the mechanical strength of chemical vapor－deposited diamond and physical vapor-deposited hard coatings［J］.Thin Solid Films.2005，473（1）：123 －131.

［4］趙立新，鄭立允，等.TiAlN鍍層硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)及性能研究［J］.金屬熱處理，2008，33（07）：16 －19.

［5］C Harish.Barshilia，M.Surya Prakash，Anjana Jain，et al.Structure，hardness and thermal stability of TiAlN and nanolayered TiAlN/CrN multilayer films［J］.Vacuum，200，77（2）：169－179.

［6］王永康，雷廷權(quán)，夏立芳.Ti0.5Al0.5N 涂層的抗高溫氧化行為［J］.材料工程，2001（1）：12 －14.

［7］王永康，熊仁章，等.Ti1－xAlxN涂層的組織結(jié)構(gòu)及Al元素的作用機(jī)理［J］.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版，2001，14（4）：48.

［8］陳利.Ti－Al－N基硬質(zhì)涂層的熱穩(wěn)定性、微結(jié)構(gòu)及其力學(xué)、切削性能的研究［D］長沙：中南大學(xué)，2009.

［9］劉建華，鄧建新，張慶余.TiAlN涂層刀具的發(fā)展與應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2006，20（4）：9 －13.

［10］E Lugscheider，O Knotek.Deposition of Arc TiAlN Coating with Pulsed Bias［J］.Surf&Coat Technology，1995，（76/77）：700 －705.

［11］Y.C.Chim，X.Z.Ding，X.T.Zeng，et al.Oxidation resistance of TiN，CrN，TiAlN and CrAlN coatings deposited by lateral rotating cathode arc［J］.Thin Solid Films，2009，517（17）.

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Elevated Temperature Resistances Properties Research of The TiAlN Coating Tools

LIU Aihua①，DENG Jianxin①，YAN Pei①，LIU Wenqing②
（ Department of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，CHN；②Shandong Fin CNC Machine Co.，Ltd.，Jinan 250101，CHN）

The elevated temperature properties of Ti0.45Al0.55N coating deposited by multi－ arc ion deposition were studied.SEM，EDS and XRD were adopted to observe the surface and analyzed mechanism of the coating failure as well as the influence of temperature on the hardness.The results show that the highest oxidation resistant temperature of the TiAlN coating can reach 800℃；Oxidization and the unmatching of expansion coefficients between coating and substrate are the main reasons for coating failure；At the same time，the conclusion is that the coating has high hardness under elevated temperature.

TiAlN；Coating Tools；Elevated Temperature Properties；Oxidation；Hardness

TG711

A

* 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2009AA044303）“山東省杰出青年基金”資助；泰山學(xué)者專項(xiàng)基金資助

劉愛華，男，1979年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)橥繉硬牧系母邷靥匦浴?/p>

（編輯 余 捷） （

2010－03－15）

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