ZrTiN梯度涂層刀具的制備及性能研究.pdf

1、本文采用脈沖偏壓輔助沉積多弧離子鍍與離子轟擊相結合的工藝制備了以硬質(zhì)合金為基體的ZrTiN梯度涂層刀具，并對其設計理論、涂層結構、涂層工藝、性能、微觀結構、摩擦磨損性能及切削性能進行了系統(tǒng)深入的研究。
　　 對三元氮化物TiAlN、ZrTiN和TiCrN的固溶強化機制進行分析，并采用物質(zhì)吉布斯自由能函數(shù)法，分析計算ZrTiN涂層、基體及過渡層各組分間的化學反應，結果表明:ZrTiN涂層是以ZrN為基礎相的穩(wěn)定固溶體;涂層與基體不

2、發(fā)生化學反應，而Ti過渡層與基體的化學反應能夠在膜-基界面形成以化合物結合的界面。對ZrTiN涂層與基體材料的物理相容性進行了研究，詳細分析了涂層殘余熱應力分布規(guī)律，結果表明YT15基體與ZrTiN涂層的匹配性較好;涂層殘余熱應力隨溫度的升高而增大，隨涂層厚度的增加而減小;TiZr過渡層的加入可以有效減小界面處的殘余熱應力，尤其是剪應力。
　　 基于膜-基界面結合類型以及涂層附著機理，分析了涂層結合力的影響因素;以提高結合力為目

3、標，設計出四種不同結構的ZrTiN涂層:單層ZrTiN涂層(SZT)，帶有成分梯度過渡層的涂層(TGC)，熱膨脹系數(shù)梯度分布的涂層(EGC)以及結合力-硬度梯度分布的涂層(ZGC)。
　　 采用脈沖偏壓輔助沉積多弧離子鍍與離子轟擊相結合的工藝，在硬質(zhì)合金基體上進行ZrTiN涂層，全面系統(tǒng)地研究了靶電流、氮氣流量、沉積溫度、沉積時間、基體負偏壓等沉積參數(shù)對涂層微觀結構及性能的影響規(guī)律。結果表明，靶電流對涂層中Zr/Ti的原子百分比

4、及晶胞參數(shù)影響明顯;氮氣流量增大或沉積溫度升高均會導致ZrTiN晶體的擇優(yōu)取向從(111)變?yōu)?200)，并伴隨著晶粒尺寸的增大;基體負偏壓對涂層晶粒取向影響最明顯:基體負偏壓升高，ZrTiN晶體的擇優(yōu)取向從(111)變?yōu)?200)，最終變?yōu)?220)，同時涂層表面質(zhì)量明顯下降。YT15基體上的ZrTiN涂層結構致密，元素分布均勻，界面結合緊密，其性能明顯優(yōu)于YG8基體上的涂層。YT15基體上的ZrTiN涂層的最佳沉積參數(shù)為:基體負偏壓

5、250V;Zr靶電流110A，Ti靶電流70A;氮氣流量140sccm;沉積時間60～90min之間;沉積溫度200℃。
　　 以YT15為基體，制備出SZT、TGC、EGC和ZGC四種ZrTiN涂層刀具，并分析其性能及微觀結構。SZT涂層刀具的硬度最高，為32.6GPa;EGC涂層刀具的結合力最大，為84.6N;四種涂層的厚度在2.62～2.73μm之間;涂層晶體結構均呈(111)擇優(yōu)取向;涂層元素向基體發(fā)生較為明顯的擴散，基

6、體向涂層的擴散比較輕微;涂層與基體的界面結合為機械嚙合、元素擴散和形成化合物的形式共存。
　　 系統(tǒng)研究了ZrTiN涂層的摩擦磨損特性，結果表明:ZrTiN涂層與淬火40Cr的摩擦系數(shù)及磨損率均隨Zr與Ti原子比的增大而減小，N元素含量對摩擦磨損性能影響不明顯。載荷增加，涂層的摩擦系數(shù)增大而磨損率減小;滑動速度增大，摩擦系數(shù)和磨損率均減小。輕載時ZrTiN涂層的磨損形式是輕微的磨粒磨損及剝落，表面硬度高的SZT、ZGC涂層耐磨性

7、較優(yōu);重載時涂層的磨損形式是磨粒磨損、脆性斷裂及剝落，韌性較好、層-基結合力較高的TGC、EGC涂層耐磨性能較優(yōu)。低速下涂層的磨損形式是工件粘結及涂層剝落，韌性及結合力較好的TGC、EGC涂層耐磨性能較優(yōu);高速下涂層的磨損形式是輕微的磨粒磨損，EGC涂層的熱脹系數(shù)梯度分布結構使其熱應力較小，熱損傷輕微，磨損率最低。
　　 對制備的ZrTiN涂層刀具以及YT15傳統(tǒng)刀具進行干切削40Cr淬火鋼的對比試驗。結果表明:ZrTiN涂層刀

8、具對切削力的影響較小，但可以顯著降低切削溫度，尤其是高速時ZrTiN涂層的熱障作用明顯。切削距離3600m時，使用涂層刀具已加工表面粗糙度明顯低于YT15，表面粗糙度一致性較好。后刀面磨損為磨粒磨損、邊界磨損的形式;ZGC涂層表層硬度最高、結合力較大，其多層結構可以有效抑制裂紋的擴展，后刀面磨損量最小;后刀面磨損量由小到大依次為:ZGC＜EGC＜TGC＜SZT＜YT15。前刀面磨損為月牙洼磨損、粘結磨損的形式;EGC涂層熱膨脹系數(shù)的梯度