摘要：本文采用脉冲偏压辅助沉积多弧离子镀与离子轰击相结合的工艺制备了以硬质合金为基体的ZrTiN梯度涂层刀具,并对其设计理论、涂层结构、涂层工艺、性能、微观结构、摩擦磨损性能及切削性能进行了系统深入的研究。
对三元氮化物TiAIN、ZrTiN和TiCrN的固溶强化机制进行分析,并采用物质吉布斯自由能函数法,分析计算ZrTiN涂层、基体及过渡层各组分间的化学反应,结果表明:ZrTiN涂层是以ZrN为基础相的稳定固溶体;涂层与基体不发生化学反应,而Ti过渡层与基体的化学反应能够在膜-基界面形成以化合物结合的界面。对ZrTiN涂层与基体材料的物理相容性进行了研究,详细分析了涂层残余热应力分布规律,结果表明YT15基体与ZrTiN涂层的匹配性较好;涂层残余热应力随温度的升高而增大,随涂层厚度的增加而减小;TiZr过渡层的加入可以有效减小界面处的残余热应力,尤其是剪应力。
基于膜-基界面结合类型以及涂层附着机理,分析了涂层结合力的影响因素;以提高结合力为目标,设计出四种不同结构的ZrTiN涂层:单层ZrTiN涂层(SZT),带有成分梯度过渡层的涂层(TGC),热膨胀系数梯度分布的涂层(EGC)以及结合力-硬度梯度分布的涂层(ZGC)。
采用脉冲偏压辅助沉积多弧离子镀与离子轰击相结合的工艺,在硬质合金基体上进行ZrTiN涂层,全面系统地研究了靶电流、氮气流量、沉积温度、沉积时间、基体负偏压等沉积参数对涂层微观结构及性能的影响规律。结果表明,靶电流对涂层中Zr/Ti的原子百分比及晶胞参数影响明显;氮气流量增大或沉积温度升高均会导致ZrTiN晶体的择优取向从(111)变为(200),并伴随着晶粒尺寸的增大;基体负偏压对涂层晶粒取向影响最明显:基体负偏压升高,ZrTiN晶体的择优取向从(111)变为(200),最终变为(220),同时涂层表面质量明显下降。YT15基体上的ZrTiN涂层结构致密,元素分布均匀,界面结合紧密,其性能明显优于YG8基体上的涂层。
YT15基体上的ZrTiN涂层的最佳沉积参数为:基体负偏压250 V; Zr靶电流110A,Ti靶电流70A;氮气流量140 seem;沉积时间60?90 min之间;沉积温度200 °C。以YT15为基体,制备出SZT、TGC、EGC和ZGC四种ZrTiN涂层刀具,并分析其性能及微观结构。SZT涂层刀具的硬度最高,为32.6GPa; EGC涂层刀具的结合力最大,为84.6N;四种涂层的厚度在2.62?2.73 jim之间;涂层晶体结构均呈(111)择优取向;涂层元素向基体发生较为明显的扩散,基体向涂层的扩散比较轻微;涂层与基体的界面结合为机械啮合、元素扩散和形成化合物的形式共存。
系统研究了ZrTiN涂层的摩擦磨损特性,结果表明:ZrTiN涂层与淬火40Cr的摩擦系数及磨损率均随Zr与Ti原子比的增大而减小,N元素含量对摩擦磨损性能影响不明显。载荷增加,涂层的摩擦系数增大而磨损率减小;滑动速度增人,摩擦系数和磨损率均减小。轻载时ZrTiN涂层的磨损形式是轻微的磨粒磨损及剥落,表面硬度高的SZT、ZGC涂层耐磨性较优;重载时涂层的磨损形式是磨粒磨损、脆性断裂及剥落,韧性较好、层-基结合力较高的TGC、EGC涂层耐磨性能较优。低速下涂层的磨损形式是工件粘结及涂层剥落,韧性及结合力较好的TGC、EGC涂层耐磨性能较优;高速下涂层的磨损形式是轻微的磨粒磨损,EGC涂层的热胀系数梯度分布结构使其热应力较小,热损伤轻微,磨损率最低。
对制备的ZrTiN涂层刀具以及YT15传统刀具进行干切削40Cr淬火钢的对比试验。结果表明:ZrTiN涂层刀具对切削力的影响较小,但可以显著降低切削温度,尤其是高速时ZrTiN涂层的热障作用明显。切削距离3600m时,使用涂层刀具已加工表面粗糙度明显低于YT15,表面粗糙度一致性较好。后刀面磨损为磨粒磨损、边界磨损的形式;ZGC涂层表层硬度最高、结合力较大,其多层结构可以有效抑制裂纹的扩展,后刀面磨损量最小;后刀面磨损量由小到大依次为:ZGC<EGC<TGC<SZT<YT15。前刀面磨损为月牙沣磨损、粘结磨损的形式;EGC涂层热膨胀系数的梯度分布可以有效降低热应力及热损伤,月牙沣磨损最轻微;月牙洼磨损区的面积由小到大依次为:EGC<ZGC<TGC<SZT<YT15。裂纹萌生、扩展导致的崩碎、剥落是ZrTiN涂层失效的主要原因;ZrTiN梯度涂层对裂纹的扩展起到阻断、偏转的作用,可以有效提高涂层的寿命。
关键词:切削刀具;涂层硬质合金;ZrTiN涂层;梯度涂层;摩擦磨损
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