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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