超晶格结构刀具涂层的制备工艺与性能研究

胡俊前,杨 群，黄德元

(1.芜湖职业技术学院 机械工程学院，安徽 芜湖 241006；2,奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241010)

在过去的几十年中，涂层刀具广泛应用于金属切削加工中，解决了高硬度材料和高精度切削加工的问题。其中，以TiN和CrN为主体材料的单层薄膜涂层刀具，因硬度高、耐磨性好、易镀膜、制造成本低而被广泛用作切削刀具和冲裁模具涂层。但是，这种涂层的高温抗氧化性能和切削韧性较差，不符合高速切削和干切削的加工工艺的要求。[1]随着PVD(物理气象沉积)镀膜技术的发展，具有高切削性能的多层复合结构的超晶格涂层逐渐成为业界研究的热点。

1 涂层的制备

1.1 设备和材料

多弧离子镀膜是目前使用最为广泛的一种刀具涂层制备装置，具有工作空间大、靶座多等特点，可以满足多种基材的溅射和沉积；反应气体采用高纯度的氮气，工作气体选用惰性较好的氩气；靶材选用纯金属铬靶以及AlCr靶和AlTiSi靶；镀膜工艺采用三种基材的工作靶座进行轮次溅射和沉积的工艺模式；刀体为普通高速钢。

1.2 工艺参数设置

1.2.1 本底真空度(5×10-2Pa)

本底真空度是进行沉积工艺前系统所能达到的极限压力，本底真空度越高，杂质气体就越少，沉积的涂层质量越高，但是过高的本底真空度，会增加工作气体的用量，提高镀膜成本。合适的本底真空度可以稳定工作气体的流量和沉积工艺过程，提高涂层的质量。

1.2.2 涂层沉积温度(450 ℃)

涂层沉积温度直接影响膜层的生成、生长和膜层的性能。沉积温度高，沉积速度加快，可以缩短生产周期，同时有利于提高涂层与基体的结合力。但是，沉积温度过高，涂层工作晶粒会变得粗大，致使涂层的强度和硬度降低，同时使能耗增加，提高镀膜成本。

1.2.3 反应气体压力(3 Pa)

反应气体的压力是指氮气分压力，直接关系到涂层的化学成分、组成结构和力学性能。实验表明，N2分压高，平均自由程大，涂层组织松散，内应力小，硬度降低；N2分压低，平均自由程小，涂层组织致密，内应力大，硬度提高；但是过低的N2分压，由于平均自由程变小，易造成溅射现象，影响沉积速率。[2]

1.2.4 靶源电流(20～100 A)

靶源电流直接关系到靶基的工作稳定性和涂层的沉积速率。靶源电流过小，靶材的蒸发速率小，沉积速度慢；靶源电流大，靶面易发生液化现象，从而影响靶基的工作稳定性，涂层的沉积厚度难以控制，涂层的表明质量也较差。

1.2.5 基材负偏压(-900 V)

基材负偏压主要作用是在镀膜前对刀具基体表面进行轰击清洗，增加涂层与刀具基体的附着力，提高刀具的的硬度和使用寿命，所以，使用多弧离子镀膜沉积涂层时，基材负偏压是一个重要的参数，直接影响镀膜的效果和膜层的质量。

1.3 镀膜时间设置

表1所列为镀膜的过程和膜层的沉积时间。镀膜时间实际包括两个部分，第一部分是沉积前的预溅射时间，用于对基体材料进行轰击和清洗。第二部分是膜层的沉积时间，包括所有靶材的轰击和沉积时间。这一时间的长短不仅影响膜层的厚度，同时也对膜层的结构和物相组成产生较大的影响。[3]

表1 镀膜过程和沉积时间

2 性能试验及结果分析

2.1 涂层结构

图1是利用JSM6360LVJ型电子显微镜和FEINANOSEM430型场发射扫描电镜观察到的涂层结构形态，层次结构明显，利用球坑法可以测得工作层厚度为1.61 μm。

图1 AlCrTiSiN超晶格涂层的结构

从内层到外层分别为粘附层(CrN)、过渡层(AlCrN)和工作层(AlCrTiSiN)，层与层之间交替生长形成具有共晶界面的超晶格结构，对涂层的高硬度、高耐磨性以及耐高温性能起到决定性作用。

2.2 硬度与耐磨性

表2是使用MTS Nanoindenter XP型纳米压痕仪测量的不同种类涂层显微硬度。结果显示，具有超晶格结构的AlCrTiSiN复合涂层的硬度要远高于其它两种单层结构的涂层。

表2 各类涂层的硬度比较

进一步分析可知，之所以出现这种硬度的变化，是由于硅元素的存在改变了超晶格结构的晶格尺寸，形成硅基固溶体 TiAlSiN，拉大了膜层的晶格常数，产生固溶强化和晶格畸变，从而使膜层的硬度得以大幅度的提高。但继续增加硅元素含量，反而使膜层的硬度出现急剧下降，原因是过量的硅元素会产生一种非晶态的Si3N4，使得晶界的阻断位错运动作用降低。如图2所示：

图2 Si含量对AlCrTiSiN涂层硬度的影响

图3为600℃高温下不同种类涂层摩擦系数的变化曲线。

图3 Al含量对于涂层的摩擦性能的影响

试验显示，不含TiCN涂层在经历一段稳定期后,摩擦系数突然升高，如图中T0线所示。这主要是因为在摩擦的过程中，膜层中的碳元素因为氧化而流失，没有了碳的减磨作用，从而导致摩擦系数增大；含铝量较高的A2试样AlCrTiSiN涂层的摩擦系数随着摩擦的进行呈稳步下降趋势，最后稳定在0.1以下，说明在磨合期内，因为铝元素代替了碳元素发生氧化反应，产生氧化铝物质起到减磨的作用，从而降低了摩擦系数。[4]

2.3 切削性能

表3是使用相同直径的高速钢基体不同涂层的刀具分别加工铸铁和45钢时的切削寿命数据。

数据显示，有涂层的TiN和AlCrTiSiN刀具比没有涂层的高速钢刀具的切削寿命平均高出1～6倍，涂镀超晶格涂层AlCrTiSiN的刀具比TiN单涂层刀具的寿命有明显的提高。说明AlCrTiSiN涂层是复合膜，形成了比较合理的硬度、组织成分和结合力的匹配。[5]

图4为三种刀具切削45钢时刀具后面磨损行貌图。其中，左图显示高速钢切削0.5小时后刀具后面磨损严重，已达到刀具的使用寿命；中图显示TiN涂层刀具切削1小时后刀具后面有一定的磨损，但未达到刀具的使用寿命；右图显示AlCrTiSiN复合涂层刀具切削1小时后刀具后面没有明显的磨损，刀具使用寿命明显延长。

表3 不同刀具切削寿命比较

图4 刀具后面磨损形貌图

3 结论

(1)AlCrTiSiN复合涂层具有超晶结构，形成了硬度、组织成分和结合力的有效匹配，具有高耐磨性、高硬度、高温抗氧化性强及切削寿命长等性能特点。

(2)AlCrTiSiN复合涂层制备对镀膜的工艺参数要求严格，尤其是氮分压、沉积时间和沉积顺序对膜层的最终结构和物相组成有着非常重要的影响。

(3)由于Si和 Al的加入进一步提高了膜的硬度、高温硬度和抗氧化性,从而进一步提高了切削刀具的使用寿命。[6]研究结果表明，具有超晶结构的AlCrTiSiN复合涂层对于提高金属切削刀具的耐用度、高速切削及干切削方面具有广阔的应用空间。