TiN/AlTiN納米多層涂層組織與性能的研究

邱聯(lián)昌，楊倫旺，江 林

（贛州澳克泰工具技術(shù)有限公司，江西 贛州 341000）

TiN/AlTiN納米多層涂層組織與性能的研究

邱聯(lián)昌，楊倫旺，江 林

（贛州澳克泰工具技術(shù)有限公司，江西 贛州 341000）

采用陰極弧蒸發(fā)涂層工藝在硬質(zhì)合金基體上沉積了TiN/AlTiN納米多層涂層。利用光學(xué)顯微鏡、SEM、XRD、顯微硬度計(jì)和劃痕測試儀、納米壓痕儀，分析了涂層的組織形貌、納米調(diào)制周期、化學(xué)成分、物相組成、結(jié)合強(qiáng)度和硬度，并對涂層硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行了銑削合金鋼的切削性能測試。研究結(jié)果表明：TiN/AlTiN納米多層涂層具有致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)，保留了AlTiN單層涂層的（200）擇優(yōu)取向。大尺寸熔滴Ti含量高、小尺寸熔滴Al含量高，涂層中Al含量低于靶材。調(diào)制周期為18.4 nm的TiN/AlTiN納米多層涂層具有良好的結(jié)合強(qiáng)度（＞100 N）和高的硬度（28.2 GPa）。相同涂層厚度的情況下，TiN/AlTiN納米多層涂層具有比同類單層涂層更高的耐磨性，表現(xiàn)出更好的切削性能。

TiN/AlTiN；納米多層涂層；組織與性能；涂層硬質(zhì)合金；陰極弧蒸發(fā)技術(shù)

過渡族金屬氮化物由于具有良好的導(dǎo)電性、高的硬度與耐磨性，通常用作熱障涂層、耐磨涂層和耐腐蝕涂層，最常用的涂層材料有TiN、TiAlN和TiN-、TiAlN-基化合物[1-5]。然而，當(dāng)工作溫度超過500℃時，TiN因完全氧化而喪失了寶貴的性能。雖然在TiN涂層中摻雜Al可以提高涂層高溫下的耐腐蝕性和抗氧化性，但由于TiAlN涂層的一些缺點(diǎn)，如高脆性、低結(jié)合力、高的摩擦系數(shù)限制了它的應(yīng)用。多層涂層或納米調(diào)制涂層由于具有非常高的硬度和韌性，低的殘余應(yīng)力，可阻止裂紋擴(kuò)展，具有高的結(jié)合強(qiáng)度，近年來引起了人們的極大重視，為提高涂層的性能提供了一條有效的途徑[6-10]。

試驗(yàn)采用陰極弧蒸發(fā)涂層工藝在硬質(zhì)合金銑刀片上制備了TiN/AlTiN納米多層涂層，分析了斷口、表面與涂層基體間界面形貌、熔滴化學(xué)成分、涂層結(jié)合強(qiáng)度、硬度與涂層相結(jié)構(gòu)，使用TiN/AlTiN涂層銑刀片與國外知名PVD設(shè)備制造商的類似涂層銑刀片對40CrNiMo合金鋼進(jìn)行了干式銑削對比。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

1.1 基體材料

選用澳克泰公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金銑刀片APKT1604PDSR-RR2（P30）為基體，基體的制備經(jīng)過了以下流程：配料→球磨→噴霧干燥→壓制成型→燒結(jié)→去毛刺→研磨加工→刃口處理→超聲波清洗→涂層前處理。

1.2 沉積工藝

在德國進(jìn)口陰極弧蒸發(fā)設(shè)備上采用純Ti靶（ASTM B265-Gr.2）與AlTi靶，原子數(shù)分?jǐn)?shù)：55/45，純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≥99.7%，沉積TiN/AlTiN納米多層涂層。首先沉積TiN涂層，接著沉積TiN/AlTiN納米交替涂層，最后沉積AlTiN涂層，具體工藝如下：基體試樣在A3改性酒精清洗液中進(jìn)行熱浴超聲清洗25min后脫水干燥→在1.0×10-2mbar氬氣中-300 V工件負(fù)偏壓進(jìn)行離子轟擊濺射清洗60 min→在0.01~ 0.085 mbar氮?dú)夥謮骸?40 V工件負(fù)偏壓和130~150 A靶電流下沉積鍍膜2 h→隨爐冷卻至工件溫度低于100℃后出爐。

為便于比較納米多層涂層與單層涂層的性能和相結(jié)構(gòu)差異，試驗(yàn)中還采用陰極弧蒸發(fā)技術(shù)分別制備了TiN和AlTiN單層涂層。

1.3 測試分析

采用掃描電子顯微鏡觀察涂層斷口與表面形貌，能譜分析涂層的選區(qū)成分，用自動劃痕測試儀與維氏硬度計(jì)測量涂層的結(jié)合強(qiáng)度，用納米壓痕儀測試涂層的硬度，最后采用TiN/AlTiN納米多層涂層銑刀片與國外先進(jìn)的同類產(chǎn)品對40CrNiMo合金鋼進(jìn)行干式銑削對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層斷口組織

試驗(yàn)采用德國ZEISS公司Supra 55型掃描電子顯微鏡觀察了涂層的斷口組織，結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可見TiN與AlTiN納米多層涂層交替排列，涂層整體呈柱狀晶生長；由圖1（b）涂層斷口整體形貌可知，涂層中存在少量的熔滴，降低涂層的致密性，使涂層中存在孔隙成為斷裂源；從圖1（c）可以看出，納米層中TiN單層厚度為約6.9 nm，AlTiN單層厚度約為11.5 nm，可知TiN/AlTiN納米涂層調(diào)制周期約為18.4 nm。

圖1 涂層斷口組織Fig.1 Microstructure of coating fracture

文獻(xiàn)[11]指出涂層生長方式隨納米調(diào)制周期增大而發(fā)生變化，納米調(diào)制周期在6~12 nm時，涂層呈等軸晶生長，當(dāng)納米調(diào)制周期增大到20 nm時，涂層呈柱狀晶生長，這與本研究得到的結(jié)果一致。

2.2 涂層表面與界面形貌

圖2為陰極弧蒸發(fā)法在硬質(zhì)合金銑刀片上制備的TiN/AlTiN納米多層涂層表面顯微形貌，TiN/AlTiN涂層均勻致密，無明顯孔洞，存在少量大小不一的類球形顆粒，這是由于陰極電弧源產(chǎn)生陰極電弧后，電弧運(yùn)動軌跡不斷發(fā)生變化[12]，每一個小弧斑都是一個蒸發(fā)源，因擊穿面積很小，加熱功率密度太大，熔池內(nèi)的金屬來不及充分蒸發(fā)，內(nèi)部的壓力很大造成突然膨脹，導(dǎo)致一些大的金屬液滴噴濺出來造成的。熔滴金屬沉積在表面形成顆粒狀缺陷，導(dǎo)致涂層表面粗糙度升高，同時顆粒的存在會降低涂層結(jié)合強(qiáng)度，增大摩擦系數(shù)。

圖3為涂層化學(xué)成分能譜分析區(qū)域（A、B、C），A區(qū)為較大尺寸的熔滴，B區(qū)為較小尺寸的熔滴，C區(qū)為涂層表面。表1為涂層表面不同區(qū)域化學(xué)成分分析結(jié)果，測試在Oxford公司X-MAXN 50型能譜分析儀上進(jìn)行。

圖2 涂層表面形貌Fig.2 Morphology of coating surface

圖3 涂層化學(xué)成分分析區(qū)域（A/B/C）Fig.3 Chemical composition analysis of coating surface（A/B/C）

表1 涂層化學(xué)成分能譜分析結(jié)果Tab.1 Chemical composition of coating droplet

由表1計(jì)算的Al∶Ti（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）結(jié)果可知，A區(qū)（大熔滴）Ti元素含量高于Al，B區(qū)（小熔滴）Al元素含量高于Ti，C區(qū)（涂層表面）Ti元素含量最高，Al元素含量最低。此外，涂層中Al元素的含量低于靶材中Al的含量，而涂層中Ti元素含量高于靶材中Ti的含量，靶材原子數(shù)分?jǐn)?shù)Al∶Ti=55∶45），其原因是Al元素的離化率比Ti低。

圖4為TiN/AlTiN納米多層涂層界面組織結(jié)構(gòu)，涂層組織致密，呈柱狀晶結(jié)構(gòu)，涂層中無裂紋、分層等缺陷，與基體緊密結(jié)合，厚度約為4 μm。

圖4 涂層與基體界面Fig.4 Interface between coating and substrate

2.3 涂層結(jié)合強(qiáng)度與硬度

試驗(yàn)采用日本FUTURE-TECH公司FLC-50VX型顯微硬度測試儀對涂層進(jìn)行壓痕形貌測試，定性分析涂層結(jié)合強(qiáng)度。測試參數(shù)為：加載載荷20 kg，保壓時間10 s。測試結(jié)果如圖5所示，由壓痕形貌可知，并未出現(xiàn)涂層剝落的情況，這表明涂層與基體、涂層與涂層之間具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。

圖5 壓痕法結(jié)合強(qiáng)度Fig.5 Bonding strength by indentation test

為了對涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，采用瑞士CSM Instruments公司Revetest Scracth Tester薄膜附著力自動劃痕儀來表征涂層的結(jié)合強(qiáng)度，測試參數(shù)：線性加載，加載載荷100N，加載速率99N/min，劃痕速度5 mm/min，劃痕長度5 mm，測量方式為聲發(fā)射。劃痕試驗(yàn)開始時，表面無明顯的痕跡；當(dāng)載荷增大到一定程度時涂層發(fā)生突然破裂，此時摩擦力與摩擦因數(shù)有一突變，以此時臨界載荷作為涂層結(jié)合強(qiáng)度。測試結(jié)果如圖6，涂層結(jié)合強(qiáng)度大于100 N，如圖6（a）所示，在5 mm的劃痕長度范圍內(nèi)均未出現(xiàn)涂層脫落，如圖6（b）所示，這表明涂層的結(jié)合強(qiáng)度較高。

圖6 劃痕法結(jié)合強(qiáng)度Fig.6 Bonding strength by scratch test

試驗(yàn)采用CSM公司TTX-NHT2型納米壓痕儀測試了TiN/AlTiN納米多層涂層、TiN單層涂層和AlTiN單層涂層的硬度，加載載荷為15 mN。硬度結(jié)果分別為28.2 GPa、25.4 GPa和28.4 GPa。文獻(xiàn)[13]指出了多層涂層效應(yīng)硬度提高的計(jì)算公式：

式中：H為涂層硬度，GPa；t為涂層厚度，μm。計(jì)算得到TiN/AlTiN納米多層涂層的硬度為27.3 GPa，比實(shí)測硬度低0.9 GPa。

2.4 XRD分析

圖7為TiN單層、AlTiN單層和TiN/AlTiN納米多層涂層的XRD衍射圖譜，所有涂層硬質(zhì)合金都表現(xiàn)出B1-NaCl晶體結(jié)構(gòu)，有（111）、（200）和（220）3個衍射峰，TiN涂層硬質(zhì)合金為（111）擇優(yōu)取向，Al加入后擇優(yōu)取向變?yōu)椋?00）方向。這是由于Al原子代替Ti原子后，Al原子的原子半徑小于Ti原子，為減小體系的能量，在原子力的作用下，F(xiàn)CC晶胞內(nèi)各原子振動的平衡位置向內(nèi)偏移，晶格常數(shù)減小，衍射峰向右偏移[14]。TiN/AlTiN納米多層涂層保留了同AlTiN涂層的（200）擇優(yōu)取向，這可能是由于納米多層涂層中的主要成分為AlTiN。

圖7 涂層XRD衍射圖譜Fig.7 XRD patterns for coatings

2.5 干式銑削合金鋼應(yīng)用效果

銑削試驗(yàn)是在德國DMG公司生產(chǎn)的DMU 85 mono Block銑床上進(jìn)行的，加工材料為合金鋼40CrNiMo（205HB）。切削參數(shù)：ap=4.0mm，ae=27mm，f=0.2 mm/rev，Vc=240 m/min，干式銑削，銑削時間固定為16 min，比較涂層刀片后刀面磨損VB（mm）的大小。

為便于比較TiN/AlTiN納米多層涂層的銑削性能，在澳克泰公司生產(chǎn)的同型號銑刀片上，由國外某知名涂層設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行了3種相同厚度（4 μm）不同種類的單層涂層（AlCrN、TiAlCrN、TiAlCrSiN），并與TiN/AlTiN納米多層涂層采用相同的參數(shù)進(jìn)行了銑削對比，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同涂層銑削合金鋼（40CrNiMo）試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Milling testing results of different coatings

在相同的銑削時間內(nèi)，盡管國外公司的涂層加入了抗氧化的Cr和Si元素，其耐磨性仍然低于TiN/AlTiN納米多層涂層，TiN/AlTiN納米多層涂層硬質(zhì)合金刀片的后刀面磨損最小。文獻(xiàn)[15]指出通過多層涂層設(shè)計(jì)可以提高涂層的韌性，銑削與車削相比，因?yàn)榈毒叻磸?fù)接觸、切削、離開工件，刀具需要反復(fù)承受機(jī)械振動和熱震動，除了要求刃口鋒利之外，還要求涂層具有高的韌性和涂層基體之間高的結(jié)合強(qiáng)度。

TiN/AlTiN納米多層涂層具有 TiN韌性和AlTiN硬度的良好結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高，達(dá)到100 N以上，納米多層結(jié)構(gòu)的涂層可有效阻止銑削加工過程中涂層表面裂紋向內(nèi)部擴(kuò)展，從而提高涂層刀片的使用壽命。

3 結(jié)論

（1）TiN/AlTiN納米多層涂層具有致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)，保留了AlTiN單層涂層的（200）擇優(yōu)取向。

（2）大尺寸熔滴Ti元素含量高，小尺寸熔滴Al元素含量高，涂層中Al含量比靶材低。

（3）調(diào)制周期為18.4 nm的TiN/AlTiN納米多層涂層具有良好的結(jié)合強(qiáng)度（＞100 N）和高的硬度（28.2 GPa）。

（4）相同涂層厚度干式銑削合金鋼（40CrNiMo）的情況下，TiN/AlTiN納米多層涂層具有比同類單層涂層更高的耐磨性。

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Microstructure and Properties of TiN/AlTiN Nano-multilayer Coatings

QIU Lian-chang,YANG Lun-wang,JIANG Lin
(Ganzhou Achteck Tool Technology Co.,Ltd.,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

TiN/AlTiN nano-multilayer coating was deposited on cemented carbide substrate by cathodic arcevaporation.The microstructure,morphology,nano-modulation period,chemical composition,coating phase structure,bonding strength and hardness were investigated by using optical microscope (OM),scanning electron microscopy (SEM),X-ray diffraction,micro-hardness tester,scratch tester and nano-indentation tester.Alloyed steel milling tests were performed on cemented carbide coated inserts.The results showed that TiN/AlTiN nanomultilayer coating has dense columnar structure and keeps(200)as the preferred orientation which is the same as AlTiN single layer coating.Big droplets are rich in Ti while small droplets are rich in Al.Al content in the coating is lower than in the target.The TiN/AlTiN nano-multilayer coating with modulation period 18.4 nm obtains good bonding strength (＞100 N)and high hardness(28.2 GPa).For coating with the same thickness,TiN/AlTiN nanomultilayer coating is more wear resistant than similar single layer coating which leads to better cutting performance.

TiN/AlTiN;nano-multilayer coatings;microstructure and properties;coated cemented carbide;cathodic arc evaporation

TF125.2+41；TF124.8+5；TG335.86

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.06.009

2015-09-22

2015年工業(yè)轉(zhuǎn)型升級強(qiáng)基工程高端裝備用高性能硬質(zhì)合金刀具涂層技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目（TC150B5C0/31）

邱聯(lián)昌（1982-），男，江西贛州人，碩士，工程師，主要從事硬質(zhì)合金刀具涂層的研發(fā)工作。