TiAIN涂层刀具的抗高温特性研究*

刘爱华 邓建新 颜 培 刘文清

（①山东大学机械工程学院，山东济南 250061；②山东法因数控机械股份有限公司，山东济南 250101）

TiAIN涂层刀具的抗高温特性研究*

刘爱华①邓建新①颜 培①刘文清②

（①山东大学机械工程学院，山东济南 250061；②山东法因数控机械股份有限公司，山东济南 250101）

对生产中使用较多的多弧离子镀Ti0.45Al0.55N涂层进行了高温特性研究。采用SEM、EDS、XRD等方法考察了高温后的涂层表面并分析了涂层的失效机理，最后考察了温度对硬度的影响。结果表明：TiAlN涂层的最高抗氧化温度可达800℃；氧化及涂层与基体的热涨适配是涂层失效的主要原因；并得知TiAlN涂层刀具在高温下仍能保持高硬度。

TiAlN 涂层刀具 高温特性 氧化 硬度

TiAlN薄膜是在TiN基础上发展起来的一种Ti系新型多元薄膜涂层材料。它具有高硬度、高的氧化温度、好的热硬性、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性［1－3］，是硬质合金涂层刀具中应用最广泛的涂层材料之一。

随着绿色设计和制造在机械加工行业内的推广，在金属切削中一般使用高速的干式切削。因此刀具必须能够承受高温环境，而TiAlN涂层刀具正好满足这一要求。由于Al元素的存在，TiAlN涂层刀具在使用过程中的高温作用下，其表面可生成一层化学性能非常稳定的Al2O3薄膜，保护涂层不被继续氧化，这是TiAlN涂层刀具能够应用于高速干切削以及一些难加工材料的重要原因［4］。因此，关于TiAlN涂层刀具的研究中，抗高温特性成为研究热点。

1 实验方法

选用工业生产中常用的TiAlN涂层刀片进行抗高温实验。WC+Co硬质合金基体，多弧离子镀方法镀层，涂层成分为 Ti0.45Al0.55 N。

将刀片材料放入电阻炉（型号为KSY12－16）于空气中分别加热到200℃，400℃，500℃，600℃，700℃，800℃，900℃，并保温1 h，再通过SEM、EDS方法检测并分析试样高温后的微观形貌及抗高温的机理；最后对涂层材料进行X射线衍射分析，研究涂层刀具的抗高温氧化温度及氧化产物。

2 实验结果与讨论

2.1 不同实验温度后的微观形貌

图1为TiAlN涂层在不同实验温度后的SEM形貌。从图中可以看出，涂层经过500℃、600℃和700℃的高温后，涂层的微观形貌变化不大。但是可以明显地看出随着温度的升高，涂层表面组织更加致密，到700℃时几乎完全覆盖了基体上的磨痕。到800℃时，涂层开始剥落，而003区域有白色晶体析出。表1为图1d中001、002和003区域的EDS分析结果。从分析结果可以看出，800℃时涂层氧化，随着W、Co元素的增多，说明基体元素已经暴露出来，表明此时涂层失效。

表1 涂层剥落部分的EDS分析结果（800℃）

2.2 不同实验温度后的X射线衍射分析

图2为TiAlN涂层经过不同温度后的X射线衍射分析结果。由图中可以看出，在室温下，除了TiAlN的波峰外，受基体的影响出现了WC的强峰，并且直到700℃，光谱几乎没有改变。只是随温度的提高，波峰的宽度变大，说明涂层的结晶情况变差；且波峰有少量的偏移，这种现象可能是由于高温使得涂层内的应力释放造成的［5］。在 800℃时，图谱中除了基体和TiAlN以外，还出现了W、Al和Ti的氧化物WO3、Al2O3、TiO、TiO2。说明直到700℃涂层保持稳定，800℃涂层开始氧化。这与微观形貌所反应出的现象相符。

2.3 TiAlN涂层的高温氧化机制及失效机理

通过以上的检测可以发现，TiAlN涂层的氧化温度为800℃，表现出很好的高温抗氧化性能。通过热力学计算，TiN与TiAlN的氧化反应能分别为136 J/mol和456 kJ/mol，可见TiAlN与氧更难发生反应，所以TiAlN优良的抗高温氧化性能与所含的Al元素有密切的关系。TiAlN涂层的氧化主要是扩散控制型反应。王永康等人［6－7］的研究发现在700℃以下，涂层的氧化主要是O原子向涂层内部的扩散过程，Ti原子和Al原子的扩散作用较弱。而在更高温度下，涂层中除O原子继续向涂层内部扩散外，涂层中Al原子向涂层表层的扩散作用也较为明显。由于Al原子与O原子的亲和性好，TiAlN涂层在氧化的过程中Al原子会向涂层的表层扩散，氧化生成连续致密完整的Al2O3。TiAlN一旦发生氧化，还会生成TiO2相。陈利［8］用实验的方法验证了800℃环境下Al和Ti分别向涂层的表面和内层富集的分层现象。而氧原子在Al2O3与TiO2中的扩散能分别为460 kJ/mol和251 kJ/mol，也就是Al2O3更能够阻止O2向涂层内部扩散，从而阻止了氧化的继续进行；另外研究者发现，在很大的温度范围内，Al2O3都比TiO2稳定［2］。因此在高速切削中刀具外层的Al2O3氧化膜致密，与工件材料的亲和力小，有良好的热屏蔽作用；而内层TiO2氧化膜使得切削热不会集中在刀尖或刀刃处，容易被切屑带走。这些都为TiAlN涂层刀具优良的切削性能提供了保障。

从TiAlN涂层加热后的微观形貌可以看出，随温度的升高，表层的单细胞密度降低，氧化物产生了体积膨胀，最终涂层剥落。涂层的失效主要是由于氧化及涂层与基体的线膨胀系数不同引起的。对于涂层刀具材料而言，涂层与基体及不同涂层之间的物理匹配程度影响界面应力、载荷传递及材料性能，其中高温下尤以各层之间的线膨胀系数的差别对材料性能的影响最大［9］。对于YG6的硬质合金其线膨胀系数为3.5×10－6K－1，而 TiAlN 涂层的在 5.7 ×10－6K－1和 9.4 ×10－6K－1［10］之间。在高温下由于线膨胀系数的差别引起的应力会使涂层开裂和剥落。

2.4 高温后TiAlN涂层的硬度变化

为了验证TiAlN涂层能够在高温下使用，对高温处理后的涂层进行了硬度测量。试样在型号为MH－6的显微硬度计上进行显微硬度测试，加载载荷为50 g，时间保持10 s。图3显示了涂层的硬度随温度变化的曲线。从图中可以看出，直到600℃，温度对涂层的硬度变化影响不大，这就说明TiAlN涂层在高温下仍能保持高硬度。但之后涂层会随着温度的升高而变软，硬度急剧下降。因为此时形成了相对较软的、非晶态的Al2O3。涂层经900℃高温后硬度不能测量是因为此时涂层已经全部氧化了。从这一点也可以看出，高温下TiAlN涂层的严重氧化会影响其高温下的机械性能［11］。

3 结语

（1）TiAlN涂层刀具具有很强的抗氧化能力，这归功于涂层氧化后在表层生成的致密Al2O3能够有效阻止氧化的进行。

（2）TiAlN涂层在高温下失效主要是因为氧化及涂层与硬质合金基体的热膨胀不同引起的。高温下的热涨适配使得涂层开裂剥落。

（3）TiAlN涂层刀具在高温下仍能够保持高硬度，为金属高速切削提供了有利条件。

［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］赵立新，郑立允，等.TiAlN镀层硬质合金结构及性能研究［J］.金属热处理，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，雷廷权，夏立芳.Ti0.5Al0.5N 涂层的抗高温氧化行为［J］.材料工程，2001（1）：12 －14.

［7］王永康，熊仁章，等.Ti1－xAlxN涂层的组织结构及Al元素的作用机理［J］.宁波大学学报：理工版，2001，14（4）：48.

［8］陈利.Ti－Al－N基硬质涂层的热稳定性、微结构及其力学、切削性能的研究［D］长沙：中南大学，2009.

［9］刘建华，邓建新，张庆余.TiAlN涂层刀具的发展与应用［J］.工具技术，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

* 国家高技术研究发展计划项目（2009AA044303）“山东省杰出青年基金”资助；泰山学者专项基金资助

刘爱华，男，1979年生，博士研究生，主要研究方向为涂层材料的高温特性。

（编辑 余 捷） （

2010－03－15）

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