刀具TiN涂层工艺与切削试验大连理工大学材料工程系王玉魁大连供热工程应用技术研究所于宁[ 摘要]本文介绍等离子体增强磁控溅射离子镀(PEMSIP)TiN涂层工艺、膜层组织结构和 性能;研究了基片负偏压和靶功率对膜层相组成和性能的影响;探讨了Ti2N对膜层的强化作用 。结果表明。由Ti2N和TiN两相组成的刀具涂层具有良好切削性能。关键词:
等离子体;溅 射;
涂层刀具;
切削试验;切削力一、刚目等离子体增强磁控溅射离子镀l‘,’)(PI。sm 。EnhancedMagnetronSputterionPlatig,简称PEMSIP )是在磁控溅射离子镀(MSIP)技术(中国专pJ85!02600.l)’·‘j基础上研 究开发出来的.其特点是:在MSIP设备中引进电子发射源和活化源(见图1),使其成为PE MSIP装置,强化磁控溅射离子镀效应.成为一千h新型PVD刀具涂层技术。利用PEMSI P法沉积的刀具涂层已取得良好现场切削效果(’‘。本文介绍基片(试样或工件)负偏压和靶功 率对刀具涂层的影响二、试验万法l.基体材料试样材料为W18Cr4V,常规热处理.硬度H Rc63、制成18x14x4(mm)金相试样,供X射绸行射(XRD)分析、透射电镜(T EM)分析和显微硬度测量用。可转位硬质合金刀具和高速钢刀《机械工程师》19953具、供 切削力测定和现场切削试验用。2.TIN涂层工艺(1)PEMSIP]:zAc原理MSIP 技术利用的是低压气体辉光放电产生的阴极溅射效应.工作时.基片(试样)带负电位;当镀膜室 真空度为lx10-ZPa时通Ar.启动溅射源,低压气体辉光放电、Ar离子溅射靶(阴极) ;被溅射出来的靶(Ti)原子或其它中性粒子(N、Ar等)进入基片附近的阴极鞘层时部分被 离化。正离子在基片负偏压电场作用下.以较高能量沉积到基片上。**M引P装置中的电子发射 源和活化源增加电子数量和能量.提高等离子体密度.从而增加沉积到基片上的正离子数量和能量 .强化MS!P效应、促进TIN合成反应。(2川N涂层工艺利用大连理工大学研制的PEMS IP设备〔”进行涂层。样品在镀膜室内溅射清洗smin后开始沉积TIN.镀膜室温度500 rC,氮气分压6.0X10-’Pa,活化源功率2.SKW.极间距240mm.保持上述参 数不度.其它工艺参数按以下两种工艺实施:工艺l.靶功率10.SKW,基片偏压分别为0、 一200、一400和一600V,沉积时间60nlin;工艺2。基片偏压一200V,靶功 率分别为75、90、105和12KW,沉积时间60。n。3.相分析用XD—3A型X射线 衍gitJK对膜层进行X射线衍射(XRD)分析:用JEM—100CX11型射电镜(TE M)对工艺1基片偏压一200V沉积的膜层进行电子衍射分析。4.膜层性能测定1一气路系统 ;2一等离子4$:3一真主室里(m协I4一靶(阴极TI〕;5一辅助阳几6一磁控溅财源电 瓶7一冷却水:8一环形磁铁:9一活化源电动,10一离于镇电观11。基片(Z件);门一电 子发射源图1等离子体增强磁控溅射离子镀装置示意图利用DMH—ZLS型显微硬度计狈d定膜 层显微硬度、KnooP压头.载荷0.098N、加载时间15s.在C620—3车床上用K IStler车削测力仪测定切削力;在大连机车厂等单位进行涂层刀具耐用度试验。三、试验结 果与分析l.基片负偏压对膜层相组成和硬度的影响图2是不同基片负偏压膜层的XRD谱.表1 是XRD分析与硬11度测量结果.表明。基5—1片负偏压增加。膜层相组成朝着富氮相及其含 量增加的方向发展、变化趋势为:(一*1+*1。N+*1m”(TiZN+TIN)一TIN 基片负偏压增加之所以强化TIN合成反应.是因为基片附近的阴极鞘层中碰撞电离效应加强。基 片负偏压愈大,Ti与N的离化程度愈高.TIN合成反应愈充分。图3ffgi片偏压负200 V膜层的横截面TEM照片、明显可见基体(S)部分和膜层(F)ny。图4是膜层的电子衍射 花样.说明膜层由Ti,N和TIN两相组成的。膜层硬度测量结果表明、基片偏压负200V的 膜层硬度最高(HK2460)。基片负偏压X4$层硬度的影响.主要是由基片负偏压不同膜层 的相组成不同而引起的。在膜层中相继出现的相有三种:一Ti、Ti,N和TIN,其中一Ti 最软(只有几百HV)、;B;bty-xHx--MraTh--x-一相。Hideo等人证 实四方结构的。一Ti。N具有比fee结构的」HIN图2不同基片偏匠镀膜CRD谱图3基片 偏压一200V涂层横截面TEM照片囱4膜层电子衍立十花样(a)及其标定困(b)更高的硬 度。通常认为、TIN硬度为2000HV,而Ti;N硬度可达2900HV。由XRD分析结 果(见图2和表1)知。基片负偏压OV时.由于离化率低。表1不同墓片负偏压膜层的相组成和 显微硬度TIN合成反应不充分.膜中有一Ti。硬度低(1620HK);-200V时、由于 离化效果比较好.膜层由Ti;N和TFIN.
两相组成。所以硬度最高(2460HK);负偏 压再增加.离化效果又有所增加、生成TIN单相膜.硬度比Ti。N和TIN两相组成的膜层低 一些。2靶功率对膜层相组成和硬度的影响不同靶功率沉积的膜层XRD分析和硬度测量结果见表 2。随着靶功率减小膜层相组成朝着富氮表2不同靶功率层的相组成和显微硬度相及基相对含量增 加的方向发展.变化趋势为:(。Ti+TiZN+TIN)-(TiZN+TIN)-TIN。 相组成这种变化趋势是由于靶功率减小从靶上溅射出来的TiJglin.wx’Mtl,x引起 的。硬演湖ute明由Ti。N和TIN两相组成的膜层硬度高。很显然.靶功率对漠层硬度的影 响是由靶功率影响膜层相组成而弓!起的。3TIN涂层对刀具切削力和耐用度的影响(l)Ti 。N和TIN两相组成的涂层对带断屑槽刀片的削力的影响(“将C型断屑槽(GB2076—8 7)的可转位刀片(YT15、U级精度)精磨周边和底面之后.取一部分在工艺1基片偏压负2 00V条件下进行涂层。由XRD3}lififl:l涂层由Ti。N和TIN两相组成。试验 在C620—3车床上进行、外圆车削;不加冷却液;工件材料为45钢、退火状态。可转位车刀 刀杆符合GB5342·2—85标准.可转位刀片符合GB2078一87标准。切削力测量采 用的是Kistler车削测力仪以及配套的电荷放大器.记录仪器为SC16光线示波器。试验 结果见图6。结果表明.TIN涂层刀具切削45钢比未涂层刀具的切削力略有下降;刀具涂层后 走刀方向(X方向)切削力下降比较明显。说明涂层有助于减小刀具前刀面和切屑之间的摩擦。实 验发现、涂层刀具的切屑厚度比末涂层刀具略有减少.说明涂层使剪切角略有增大、相应摩擦角减 小.也可证明涂层有助于减小刀屑之间的摩擦。涂层刀具切削力下降主要是由于TIN涂层与钢的 摩擦系数比较小引起的。(2)Ti。N和TIN两相涂层对刀具耐用度的影响试验用刀具在工艺 i基片偏压负200V的条件下进行涂层.膜层由Ti。N和TIN两相组成。大连柴油机厂一分 厂在摇臂轴上月M16XI丝锥(W18Cr4V)加工16Mn柴油机齿轮室垫板.在相同切削 规范条件下.未涂层丝锥平均加1102件、而涂层丝锥平均加11140件(64支涂层丝锥统 计结果)、涂层后丝推耐用度提高10倍。大连机车厂在导轨摇臂钻上用60反扩刀(W18Cr 4V川11I25ZG柴油机机体、在相同切削规范条件下、末涂层刀具平均加110次、而涂层 刀具平均加150次(50把涂层反扩刀统计结果).耐用度提高4倍。大连轻工机械总厂在C6 20$$1用90Wb夹刀片(YTIS)加工45钢电梯主轴.在相同切削条件下.未涂层刀片 平均加I4件.而涂层刀片力OI20件(100片涂层刀片统计结果)、耐用度提高4倍。大连 机床厂在C630车床上用YT15硬质合金刀片加I38CrMOAI螳杆.在相同切削条件下 .未涂层刀片只能OChl件.而徐屠刀片力OI3件(120片涂层刀统计结果〕。耐用度提高 2倍。四、结论(l)pEMSIp法TIN涂层的相组成随着基片负图5TIN涂层刀具对切削 力的影响偏压增加朝着富氮相及其含量增加的方向发展.变f~:(。Ti+1’i,N+TIN )-(Ti。N+TIN)一TIN。’2)pEMSIp法TIN涂层的相组成随着靶功率减小 朝着富氮相及其含量增加的方向发展.变化趋势为:(。n+*1,N+*1周一(*1ZN+* 1周一TFIN。O)PEMsm法T1N涂层硬度受相组成影响、而以Ti尸和TIN两相组成 的涂层硬度最高。《4)PEMSIP法制备的由Ti。N和TIN两相组成的刀具涂层使切削力 下降(切削45钢)。井且走刀方向(进给方向)切削力下降比较明显;涂层高速钢刀具耐用度提 高4倍以上.涂层硬质合金刀具耐用度提高2倍以上。参考文献(略)(编辑松柳)刀具TiN涂 层工艺与切削试验@王玉魁,于宁$大连理工大学材料工程系,大连供热工程应用技术研究所等离 子体;
溅射;涂层刀具;切削试验;切削力本文介绍等离子体增强磁控溅射离子镀(PEMSIP )TiN涂层工艺、膜层组织结构和性能;研究了基片负偏压和靶功率对膜层相组成和性能的影响 ;探讨了Ti2N对膜层的强化作用。结果表明。由Ti2N和TiN两相组成的刀具涂层具有良 好切削性能。。硬度低(1620HK);-200V时、由于离化效果比较好.膜层由Ti;N 和TFIN.两相组成。所以硬度最高(2460HK);负偏压再增加.离化效果又有所增加、生成TIN单相膜.硬度比Ti。N和TIN两相组成的膜层低一些。2靶功率对膜层相组成和硬度的影响不同靶功率沉积的膜层XRD分析和硬度测量结果见表2。随着靶功率减小膜层相组成朝着富氮表2不同靶功率层的相组成和显微硬度相及基相对含量增加的方向发展.变化趋势为:(。
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