膜厚對(Ti,Al)N涂層微結構、機械性能及切削特性的影響

蘇永要，胡榮，王錦標,，馮桐，鮮濟遙

（1.重慶文理學院新材料技術研究院，重慶 402160；2.重慶市高校微納米材料工程與技術重點實驗室，重慶 402160）

膜厚對(Ti,Al)N涂層微結構、機械性能及切削特性的影響

蘇永要1,2，胡榮1，王錦標1,2,*，馮桐1，鮮濟遙1

（1.重慶文理學院新材料技術研究院，重慶 402160；2.重慶市高校微納米材料工程與技術重點實驗室，重慶 402160）

利用蒸發(fā)與磁控濺射二元組合源設備，通過控制沉積時間在鎢鈷類硬質合金螺紋刀表面制備了不同膜厚的(Ti,Al)N涂層。采用X射線衍射儀、掃描電鏡、能譜儀、維氏顯微硬度計、洛氏硬度計和摩擦試驗機考察了涂層厚度對涂層微觀結構、表面形貌、元素組成、顯微硬度、膜-基結合力及摩擦磨損性能的影響，并通過切削40Cr鋼材研究了涂層刀具的切削特性。結果表明，沉積6 h所得涂層(膜厚約5.0 μm)的復合硬度(涂層 + 基材的顯微硬度)顯著高于沉積2 h(膜厚約1.8 μm)所得涂層，但膜-基結合力更弱，磨耗速率更快。

氮化鈦鋁；涂層；鎢鈷類硬質合金；刀具；厚度；磁控濺射；真空鍍；摩擦學

First-author’s address:Research Institute for New Material Technology, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China

(Ti,Al)N涂層是在TiN涂層基礎上發(fā)展起來的一種三元涂層，Al元素的加入使其具有更高的硬度、高溫抗氧化能力及紅硬性[1-4]，被廣泛應用于交通運輸、機械制造、航空航天等領域。刀具表面保護是其中一個重要的應用。(Ti,Al)N涂層可有效提高表面硬度，延長刀具使用壽命，提高工件加工質量[5-7]。通常采用磁控濺射、陰極弧源等物理氣相沉積技術來制備(Ti,Al)N涂層。涂層性能及其微觀結構與Al含量有關：Al含量較低(原子分數(shù)≤70%)時，(Ti,Al)N涂層的相結構與TiN涂層相同，為面心立方結構，具有優(yōu)良的機械性能(高硬度、高耐磨損性能)；當Al的原子分數(shù)多于70%時，轉變?yōu)榱浇Y構，此時涂層的硬度、耐磨損性能下降[8-9]。

涂層的厚度是影響涂層表面形貌、微觀結構及使用壽命的關鍵因素，也是影響涂層殘余應力的狀態(tài)及分布、涂層失效方式和性能的重要因素之一[10]。目前研究主要集中在涂層結構和性能[11]，對膜厚的研究較少。本文采用離子輔助增強磁控濺射與蒸發(fā)鍍二元組合源設備，通過在Ar、N2等離子體中濺射TiAl合金靶，在硬質合金螺紋刀表面制備了(Ti,Al)N涂層。通過調節(jié)鍍膜時間控制涂層厚度，系統(tǒng)地分析了膜厚對涂層微觀結構、機械性能及切屑特性的影響。

1 實驗

1. 1 材料與設備

純Ti顆粒，純度99.9%；TiAl合金，純度99.9%，原子百分比50/50；均由安泰科技股份有限公司提供。

采用四川大學研制的HT-PEMS-800型離子輔助增強磁控濺射與離子蒸發(fā)鍍二元組合源鍍膜機，可實現(xiàn)蒸發(fā)鍍和磁控濺射2種功能，設備的具體構造如圖1所示。安裝在頂部的電子槍發(fā)射電子束輔助離化氣體，與傳統(tǒng)的磁控濺射相比，具有更高的離化率。坩堝及安置在真空室壁上的濺射靶可提供沉積材料。真空室底部的工件座可同時實現(xiàn)公轉、自轉功能，提高了涂層成分、厚度的均勻性。

圖1 制膜設備腔室的示意圖Figure 1 Schematic diagram of the chamber of coating equipment

1. 2 基材與前處理

基材為市售成品三角形螺紋刀，刀尖半徑0.5 mm，屬于鎢鈷(YG)類硬質合金。先用噴砂機對刀具進行噴砂處理，清除其表面的污染物，再用專用金屬清洗劑進行清洗，然后依次在丙酮和無水乙醇中超聲清洗5 min，干燥后放入真空室待鍍。

1. 3(Ti,Al)N涂層的制備

先將真空度抽至4 × 10-3Pa以下，然后通入工作氣體進行洗氣，使真空室內工裝及待鍍工件在工作氣體中得到充分浸潤。隨后在氬氣保護下開啟電子槍，激發(fā)電弧光，對工件進行加熱。達到預設溫度(約300 °C)后，保持氣體壓強不變，對工件進行刻蝕清洗，偏壓為中頻300 V，疊加直流200 V，持續(xù)30 min。然后通入N2并調節(jié)離子束控制磁場對坩堝進行加熱，蒸發(fā)純Ti顆粒，制備TiN/Ti過渡層(約0.2 μm)以提高膜-基結合力。然后，調節(jié)離子束控制磁場及Ar流量對坩堝蒸發(fā)進行壓制，開啟中頻濺射電源，濺射TiAl合金靶制備(Ti,Al)N涂層。具體工藝參數(shù)為：燈絲電流160 A，偏壓-40 V，Ar氣流量90 sccm，Ar/N2流量比2∶1，氣壓0.5 Pa，濺射功率2 500 W，鍍膜時間分別為120 min和360 min。依據(jù)鍍膜時間得到厚度約為1.8 μm和5.0 μm這2種涂層，試樣對應標示為2h和6h。裸刀具標示為WC-Co。

1. 4 表征與性能測試

用 TD-3500型 X射線衍射儀(XRD)分析(Ti,Al)N涂層的微觀相結構，掃描角度 2θ = 20° ～ 90°。用DHV-1000Z型維氏自動轉塔數(shù)顯顯微硬度計檢測試樣的維氏顯微硬度。用壓痕法來分析膜-基結合力(洛氏硬度計，載荷60 kg，保載10 s)。使用TRN型多功能摩擦磨損試驗機測試涂層的耐磨損性能，(25 ± 5) °C下采用銷盤式干摩擦，摩擦副為半徑6 mm的Si3N4球，載荷2 N，測試轉數(shù)3 000轉。用Quanta 250型掃描電鏡(SEM)觀察磨痕形貌，并用其自帶的能量色散X射線光譜儀(EDX)分析磨痕成分。通過分析磨痕寬度及磨痕成分來綜合評價試樣的耐磨損性能。通過實際切削40Cr鋼柱來分析涂層的切削特性，切削方式為干切削，切削速率為220 m/min，背吃刀深度ap為1 mm，進給量fr= 0.15 mm，總切削長度S為40 m。通過測量刀具后刀面的磨損厚度平均值VB(單位mm)計算磨耗速率。磨耗速率設定為切削單位體積工件材料導致的后刀面平均磨損量Q，即Q = VB / (ap× fr× S )，單位為mm/cm3。

2 結果與討論

2. 1 涂層的物相結構

圖2為不同厚度(Ti,Al)N涂層的XRD圖譜。由于涂層較薄，所得圖譜受硬質合金基體的影響較大。不同厚度試樣的衍射譜線輪廓相似，特征衍射峰(111)、(200)峰的位置及寬度無明顯差別，均為NaCl形式的面心立方結構，存在明顯的(111)面擇優(yōu)生長趨勢。因此在其他條件不變的情況下，膜厚對(Ti,Al)N涂層微觀結構的影響不明顯。

圖2 不同膜厚的涂層的XRD譜圖Figure 2 XRD patterns of the coatings with different thicknesses

2. 2 涂層的顯微硬度

硬度是影響刀具使用性能的關鍵因素之一。在硬質合金刀具表面涂覆涂層的目的是把基體的高強度和韌性與涂層的高硬度結合起來，從而使刀具擁有更好的切削性能。因為涂層較薄，所以采用0.245 N的小載荷進行測試，保載時間15 s。在試樣不同區(qū)域隨機測試10個點取平均值。雖然壓頭沒有刺穿涂層，但其應力場已經(jīng)作用到了基體，測量值受到基體影響，因此筆者認為所測硬度為(Ti,Al)N涂層與硬質合金基體的復合硬度[12]。2h和6h試樣的顯微硬度分別為(2 286.0 ± 77.2) HV0.025和(2 985.0 ± 78.7) HV0.025，均高于硬質合金基體的(1 610.0 ± 71.4) HV0.025，即(Ti,Al)N涂層大幅度提高了刀具的顯微硬度。6h試樣的顯微硬度又要高于2h試樣，主要是受涂層厚度的影響，涂層越厚，復合硬度越高。

2. 3 膜-基結合力

涂層與基體的結合力在很大程度上決定了涂層刀具的服役可靠性和使用壽命，是涂層發(fā)揮其優(yōu)良特性的先決條件。評價膜-基結合力的方法很多，常用的有劃痕法、壓痕法、拉伸法、膠帶剝離法等。壓痕法由于操作簡便、結果直觀可靠，是工業(yè)生產(chǎn)應用最為廣泛的方法之一[13]。參照DD CEN/TS 1071-8: 2004 Advanced Technical Ceramics—Methods of Test for Ceramic Coatings Part 8: Rockwell Indentation Test for Evaluation of Adhesion，先用洛式硬度計在(Ti,Al)N涂層表面壓出壓痕，然后在光學顯微鏡下將壓痕放大100倍，通過觀察壓痕邊緣的裂痕形貌來確定膜-基結合力的等級，從優(yōu)到差分為0、1、2、3四級。由圖3可見，2h試樣壓痕邊緣存在細微的幾條徑向裂紋，長度較短，對比標準，壓痕等級為1級。而涂層較厚的6h試樣壓痕周圍的裂紋密集且較長，局部有拱起現(xiàn)象，壓痕內部有少許涂層碎片散落，評為2級。這是因為隨著涂層厚度增加，涂層的內應力隨之增加，所以膜-基結合力下降[14]。

圖3 光學顯微鏡下不同膜厚涂層的壓痕形貌Figure 3 Indentations observed by optical microscope for the coatings with different thicknesses

2. 4 摩擦因數(shù)

各個試樣的實時摩擦因數(shù)如圖4所示。在測試初始階段，WC-Co試樣的摩擦因數(shù)快速升高，在約100轉時趨于穩(wěn)定，在0.6 ～ 0.7范圍內波動。覆有涂層的試樣在穩(wěn)定摩擦時的摩擦因數(shù)平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯波動。2h和6h試樣的摩擦因數(shù)分別為0.84和0.86，均高于WC-Co試樣的0.65。這可能由2個原因造成：一是它們的顯微硬度高于WC-Co試樣，在同樣載荷的作用下，形變量較小，與Si3N4球的接觸面相對較小，摩擦因數(shù)增加；二是WC-Co試樣中含有的WC具有一定的潤滑作用，有利于減小摩擦因數(shù)[15]。

圖4 不同膜厚涂層的摩擦因數(shù)Figure 4 Friction coefficient of the coatings with different thicknesses

2. 5 膜層的成分

圖5是不同厚度(Ti,Al)N涂層的SEM照片及EDX線掃描譜圖。從SEM照片可以看出，不同厚度的試樣表面均較為平整，無明顯犁溝。磨痕邊緣均有磨屑堆積，底部有少量磨屑散落。其中2h試樣的磨痕寬度略小于6h試樣。分析磨損后相關元素變化以進一步研究涂層的磨損機制，掃描區(qū)域從未磨損涂層區(qū)到磨痕中部。與未磨損區(qū)域相比，2h試樣(圖5a中A到B)磨損區(qū)域的主要元素N、Ti含量變化不大，Al元素明顯減小(黑色圓圈標示位置)，這可能是由于涂層較薄，部分磨損后相對變化較大。而6h試樣(圖5b中C到D)的主要元素(N、Ti和Al)含量均無明顯變化。在磨屑堆積區(qū)域，二者的N元素含量均降低，O元素含量急劇增加，可見這是一個逐層漸進的氧化磨損過程。

圖5 不同膜厚涂層的磨痕形貌及EDX線掃描圖譜Figure 5 Morphologies of wear tracks and EDX spectra of the coatings with different thicknesses

2. 6 切削性能

2h試樣的磨損平均值為0.046 mm，磨耗速率為0.891 mm/cm3，均小于6h試樣(磨損平均值0.063 mm，磨耗速率1.214 mm/cm3)。這是因為涂層厚度增加，導致結合力和結晶度下降，涂層容易剝落，所以磨損率增加。

圖6顯示了2個試樣刃口的磨損形貌。2h試樣的刃口完整，涂層沒有明顯剝落現(xiàn)象；但在前刀面上靠近刃口區(qū)域有部分涂層磨損，裸露出基體。這可能是因為在切削過程中形成的連續(xù)、高溫的切屑經(jīng)過前刀面時，由于機械磨損將表面涂層帶走，使涂層逐漸變薄，并最終形成月牙洼而失效。6h試樣的前刀面較為平整，無明顯磨痕，但涂層在刃口部分出現(xiàn)輕微剝落。這是由于涂層較厚，膜-基結合力較差，涂層在切削過程中受周期性切削力作用而發(fā)生斷裂和脫落[16]。

圖6 切削試驗后不同厚度涂層刀具的磨損形貌Figure 6 Worn morphologies of the coated cutting tools with different thicknesses after cutting test

綜上所述，涂層在切削過程中能夠保護刀具基體，減小其磨損量。涂層在具有較高的硬度、良好的耐磨損性能的同時還要有一定的厚度，這為進一步優(yōu)化涂層性能提供了方向。

3 結論

利用離子輔助增強磁控濺射與蒸發(fā)鍍二元組合源設備，在 YG類硬質合金螺紋刀表面成功制備出不同厚度的(Ti,Al)N涂層。涂層厚度對涂層微觀相結構影響不明顯，但膜厚增大，復合硬度升高，膜-基結合力降低，且切削過程中磨耗速率增大，涂層斷裂、脫落現(xiàn)象加劇。

[1] LI D K, CHEN J F, ZOU C W, et al. Effects of Al concentrations on the microstructure and mechanical properties of Ti-Al-N flms deposited by RF-ICPIS enhanced magnetron sputtering [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 609: 239-243.

[2] HE C L, ZHANG J L, SONG G H, et al. Microstructure and mechanical properties of reactive sputtered nanocrystalline (Ti,Al)N flms [J]. Thin Solid Films, 2015, 584: 192-197.

[3] AUGER M A, GAGO R, FERNáNDEZ M, et al. Deposition of TiN/AlN bilayers on a rotating substrate by reactive sputtering [J]. Surface and Coatings Technology, 2002, 157 (1): 26-33.

[4] WANG Q Z, ZHOU F, WANG X N, et al. Comparison of tribological properties of CrN, TiCN and TiAlN coatings sliding against SiC balls in water [J]. Applied Surface Science, 2011, 257 (17): 7813-7820.

[5] KOTTFER D, FERDINANDY M, KACZMAREK L, et al. Investigation of Ti and Cr based PVD coatings deposited onto HSS Co 5 twist drills [J]. Applied Surface Science, 2013, 282: 770-776.

[6] BRAIC V, ZOITA C N, BALACEANU M, et al. TiAlN/TiAlZrN multilayered hard coatings for enhanced performance of HSS drilling tools [J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 204 (12/13): 1925-1928.

[7] DU H, ZHAO H B, XIONG J, et al. Effect of interlayers on the structure and properties of TiAlN based coatings on WC-Co cemented carbide substrate [J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2013, 37: 60-66.

[8] RIZZO A, MIRENGHI L, MASSARO M, et al. Improved properties of TiAlN coatings through the multilayer structure [J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 235: 475-483.

[9] CHEN L, PAULITSCH J, DU Y, et al. Thermal stability and oxidation resistance of Ti-Al-N coatings [J]. Surface and Coatings Technology, 2012, 206 (11/12): 2954-2960.

[10] 趙升升, 程毓, 常正凱, 等. (Ti,Al)N涂層應力沿層深分布的調整及大厚度涂層的制備[J]. 金屬學報, 2012, 48 (3): 277-282.

[11] 黃若軒, 祁正兵, 孫鵬, 等. 沉積溫度對納米ZrN涂層結構及性能的影響[J]. 廈門大學學報(自然科學版), 2010, 49 (5): 654-658.

[12] 蘇永要, 王錦標, 田亮亮, 等. 微量Al摻雜對TiN微觀結構及性能的影響[J]. 功能材料, 2013, 44 (18): 2668-2671.

[13] 馬峰, 蔡珣. 膜基界面結合強度表征和評價[J]. 表面技術, 2010, 30 (5): 15-19.

[14] 弓滿鋒, 喬生儒, 盧國鋒, 等. X射線測量高速鋼上不同厚度氮化鈦涂層殘余應力[J]. 材料科學與工藝, 2010, 18 (3): 415-419, 424.

[15] LORENZO-MARTIN C, AJAYI O, ERDEMIR A, et al. Effect of microstructure and thickness on the friction and wear behavior of CrN coatings [J]. Wear, 2013, 302 (1/2): 963-971.

[16] 李安海, 趙軍, 羅漢兵, 等. 高速干銑削鈦合金時涂層硬質合金刀具磨損機理研究[J]. 摩擦學學報, 2012, 32 (1): 40-46.

[ 編輯：杜娟娟 ]

Effect of thickness of (Ti,Al)N coating on its microstructure, mechanical properties and cutting characteristics

// SU Yong-yao, HU Rong, WANG Jin-biao*, FENG Tong, XIAN Ji-yao

(Ti,Al)N coatings with different thicknesses were deposited on cobalt-tungsten carbide chaser by magnetron sputtering and evaporating deposition combination sources equipment through controlling deposition time. The dependence of microstructure, surface morphology, elemental composition, microhardness, adhesion to substrate and friction-wear performance of the coating on its thickness were studied by X-ray diffractometer, scanning electron microscope, energydispersive spectroscope, Vickers microhardness tester, Rockwell hardness tester and friction tester. The cutting characteristics of coated cutting tools were analyzed by cutting 40Cr steel column. The results showed that the coating deposited for 6 hours, whose thickness is ca.5.0 μm, has a significantly higher composite hardness (i.e. microhardness of coating plus substrate) than that deposited for 2 h, whose thickness is ca.1.8 μm, but a lower adhesion strength and faster wear rate.

aluminum titanium nitride; coating; cobalt-tungsten carbide; cutting tool; thickness; magnetron sputtering; vacuum plating; tribology

TG174.444; TB43

A

1004 - 227X (2016) 18 - 0990 - 05

2016-02-25

2016-06-03

國家自然科學基金（51275323）；重慶市教委科學技術研究項目（KJ1601104，KJ1401119）；重慶文理學院科研項目（R2012CJ13，Y2015XC24）；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（201510642294）。

蘇永要（1980-），男，河南濮陽人，碩士，講師，研究方向為材料表面改性及其性能研究。

王錦標，講師，(E-mail) wjbdys7983@163.com。