TiAlN涂层刀具的发展与应用(2)

TiAlN涂层刀具的发展与应用

１０工具技术

很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平，涂层与界面结合强度、涂层中Ａｌ的含量以及涂层的成分和结构。

基体的结合强度、涂层及其界面组织结构、择优取

向、各单涂层厚度及总厚度等都是决定涂层刀具性能的重要因素。下面就从基体与涂层材料的选择和

（ｔ渗弧离子镀

用多弧离子镀方法制备的ＴｉＡｌＮ涂层刀具的涂

涂层工艺参数两方面进行阐述。

２．１基体与涂层材料的选择

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

层性能与靶材金属成分和工艺参数有关。一般说来，用ＴｉＡＩ复合靶制备的涂层的均匀性优于用分离

Ｔｉ、Ａｌ靶制备的涂层。提高铝含量能较大程度地提

高膜基结合力。但是，对于高Ａｌ含量的ＴｉＡｌ复合靶料性能，其中尤以各层之间的热膨胀系数的匹配程

度和弹性模量的差别对材料性能的影响最大。由于

热胀失配程度和弹性模量的不同，在材料内部将形成大小及分布不同的残余应力场。从降低残余拉应

力、提高材料强度的角度上讲，应使基体与涂层的热膨胀系数更接近，弹性模量差较小；但从残余应力增

韧和微裂纹增韧、提高材料断裂韧性的角度来看，存在适当的残余应力又是必要的。ＴｉＡｌＮ涂层刀具基体一般选用高速钢或硬质合金，比如ＹＧ６、ＹＧ８、超细晶粒ＷＣ—Ｃｏ硬质合金等，也可选陶瓷作基体。

界面结合强度是影响涂层刀具性能的重要因素。除了选择匹配的材料外，在工艺中也可采取多

种方法来改善ＴｉＡｌＮ膜层与高速钢和硬质合金等基

体的结合强度。如：成膜前进行预溅射清洗以除去不利于涂层与基体结合的杂质；成膜过程中用高能

粒子轰击以提高膜基间组分相互扩散能力和膜表面原子的反应活性，降低缺陷的产生；引入如ＴｉＡｌ、Ｔｉ

等中间过渡层１７，１７］，由于过渡层与基体和过渡层与

ＴｉＡｌＮ膜层两者的结合强度显著高于ＴｉＡｌＮ膜层与基体的结合强度，因而有了过渡层的ＴｉＡｌＮ膜层的临界载荷明显增加，过渡层的厚度可明显影响膜层

与基体的结合强度【６．７Ｊ。当过渡层进一步增厚时，

过渡层被剪断的几率增大，导致临界载荷缓慢下降。

界面结合强度可通过自动划痕仪测量临界载荷来确定。

２．２涂层工艺参数

一般来说，采用ＰＶＤ工艺可获得比ＣＶＤ工艺更

薄的涂层，且与基体结合较为牢固，同时，ＰＶＤ涂层的沉积温度较低，在６００。Ｃ以下时对刀具材料的抗弯强度无影响。可采用多种ＰＶＤ方法来制备ＴｉＡｌＮ涂层刀具，比如多弧离子镀、电弧离子镀、空心阴极

离子镀、磁控溅射离子镀等。选择不同的涂层方法所得到涂层刀具的性能有一定差异。目前，表征

ＴｉＡｌＮ涂层成分的主要参数有：ｒＡｌ／Ｔｉ和ｒＭ／Ｎ，用这两个参数可以全面反映Ｔｉ、Ａｌ和Ｎ三者原子在涂层

中所含的比例。影响ＴｉＡｌＮ涂层性能的主要因素有

万　

方数据图１基本偏压对ＴｉＡＩＮ涂层成分的影响

（２）空心阴极离子镀

采用空心阴极离子镀方法沉积ＴｉＡｌＮ膜层。镀间、氩流量和镀膜时的真空度。№的流量影响刀具

的硬度和界面结合力旧ｊ。如图２所示，随Ｎ２流量的

到最大值后开始下降，因此存在一个最佳值，以使膜

（３）能量脉冲等离子枪

中国科学院物理所自主开发的高能量脉冲等离材，目前在制备工艺上还存在一定的困难。ＴｉＡｌＮ涂

层的组成受Ｎ：分压、阴极弧流及基板偏压等工艺因素的制约１４，５］：随着Ｎ，分压的增加，ｒＡｌ／Ｔｉ升高，ｒＭ／Ｎ减小；随着阴极弧流的增大，涂层中ｒＡｌ／Ｔｉ减小，

ｒＭ／Ｎ增大；随着基体偏压的升高，ｒＡｌ／Ｔｉ和ｒＭ／Ｎ降

低（见图１）。

膜的主要工艺参数有：主弧电流、烘烤温度、镀膜时增加，膜基结合力和膜层的显微硬度呈上升趋势，达

基结合力和膜层的显微硬度最优。采用空心阴极离子镀方法制备出的ＴｉＡｌＮ膜层连续、光滑、组织致密，膜基结合力比ＴｉＮ膜层与基体之间的结合力有

较大程度的提高，但相对于其它工艺还存在一定差

异。

子枪能同时兼顾离子注入、物理气相沉积和等离子体氮化等多种以真空为基础的表面处理技术的优点，可以改进陶瓷涂层切削刀具的磨损性能。影响薄膜沉积的工艺因素很多，包括脉冲等离子体枪内外电极问放电电压（枪压Ｖｇｕｎ）、脉冲等离子轰击试样次数、脉冲电磁进气阀电压、沉积室真空度、工作