摘要:采用多层结构的方法可以提高TiN刀具涂层力学性能和切削性能。采用离子镀技术制备了TiN(0.5µm)/Ti(CN)(0.5µm)/TiN(0.5µm)多层涂层。利用光学显微镜、原子力显微镜和微力学探针表征了涂层的微结构和力学性能，并研究了涂层对硬质合金铣刀切削性能的影响。结果表明，TiN/Ti(CN)多层涂层表面平整、厚度均匀、与基底结合良好，硬度为28.5GPa。高速干式切削试验表明，与普通硬质合金铣刀相比，涂层铣刀的使用寿命提高5倍。
0 引言
TiN涂层具有高硬度、高韧性、低摩擦系数和与基底结合力强等优良的综合力学性能，作为最重要的刀具涂层材料得到广泛应用。随着高速切削、干式切削等机械加工技术的进步，单一的TiN涂层已不能满足对刀具涂层日益苛刻的工作要求。采用多元合金化和形成多层结构的方法，可在充分利用TiN涂层原有优良综合力学性能优势的条件下进一步提高其硬度、韧性和高温抗氧化性能，是目前提高刀具涂层切削性能的重要技术措施。在多元合金化方法中，采取向TiN中加入Al、C等元素形成(TiAl)N或Ti(CN)涂层都能使涂层的硬度或抗氧化温度得到提高。在TiN涂层中插入更高硬度的材料(如Ti(CN)层)所形成的多层结构涂层，可以在保持TiN涂层原有与基体良好界面结合和较高抗氧化性的情况下提高涂层的硬度和韧性，也是一种提高涂层性能的有效方法。研究了离子镀TiN/Ti(CN)多层涂层的显微结构和力学性能，以及对硬度合金铣刀切削性能的影响。
1 涂层的制备
TiN/Ti(CN)多层涂层在瑞士生产的PLATIT PL1000离子镀膜机上制备。用于微结构和力学性能表征的高速钢试样和用于切削性能研究的Ø10mm硬质合金柱形铣刀经精磨、喷砂和清洗后装在真空室内可自转和公转的工件架上。真空室的背底真空达到10
-4Pa后，对试样加温到450℃并通入Ar气，对其进行离子轰击，清除试样表面的氧化层和吸附物：进而先镀覆约0.1µm的Ti层作为底层，以提高涂层与基材的结合力，然后在保持Ar气分压不变的条件下，先后导入氮气(N 2)和乙炔(C 2H 2)混合气体，通过N 2或乙炔气体与溅射并部分电离的Ti原子和Ti离子形成反应离子镀，在试样上获得多层结构的TiN/Ti(CN)涂层。多层涂层的结构为TiN(0.5µm)/Ti(CN)(0.5µm)/TiN(0.5µm)。
2 涂层的微结构
分别采用光学显微镜和原子力显微镜(AFM)观察了涂层的截面和表面生长结构。由图1涂层横截面的金相照片可见，TiN/Ti(CN)多层涂层组织致密、厚度均匀，与基底结合良好。其中底层TiN、Ti(CN)层和表层TiN层厚均约为0.5µm，涂层总厚度1.5µm。 AFM观察(图2)表明:虽然基材表面粗糙度较大，涂层仍对试样覆盖基本良好，涂层表面存在少量尺寸小于1µm的微孔和凸起等缺陷。
图1 涂层横截面的金相照片
图2 涂层表面生长形貌的AFM照片
3 涂层的力学性能
沉积于硬度相对较低的基材上的刀具涂层硬度高(>20GPa)、厚度薄(<5µm)，对其力学性能测量具有很大的困难。在压入法硬度测量中，过大的压入载荷会因压头前端的变形区扩展到较低硬度的基材而导致测量值较低，而载荷过小则会由于试样表面的粗糙度和显微镜的分辨能力所限而不能准确测量压痕而得到的结果分散度很大。本试验采用可连续加载并同时测量压入深度的Fischer HV 100微力学探针(Nanoindentor)通过两步压入法测量涂层的力学性能。
图3示出了大载荷(50mN)压入时涂层受载硬度HU(亦称广义硬度，Universal Hardness)随压入载荷的变化曲线。曲线中的高硬度平台区表明在载荷为8～20mN范围内进行压入试验可以既不受涂层表面粗糙度影响，又不受基材变形影响，获得涂层准确的力学性能测量值。因而进一步选择18mN小载荷进行第二步压入试验，图4为小载荷压入试验的加载-卸载曲线。据此结果，通过Oliver公式可得到TiN/Ti(CN)多层涂层的硬度为28.5GPa，弹性模量415GPa，弹性恢复率63.9%。涂层的硬度明显高于一般TiN涂层(20～22GPa)。
图3 大载荷压入时涂层受载硬度随载荷的变化
图4 涂层的小载荷(18mN)压入试验的加载卸载曲线
刀具的铣削试验参数表转速
(r/min)切削速度
(m/min)进给量
(mm/r)切削深度
mm切削宽度
mm45101700.140.61.1
图5 铣刀切削寿命比较
4 涂层的切削性能
多层涂层的切削试验在德国产的DECKEL MAHO 70V切削试验机床上进行。试验刀具采用Ø10mm的6刃硬质合金(TSF44)柱型铣刀，进行了涂层和未涂层铣刀的对比切削试验。试验采用无冷却液的干铣方式。试块材料为经淬火处理的40Cr低合金钢，硬度约为45～48HRC，尺寸为300mm×100mm×80mm。铣前将试块切削面及周边加工平整。涂层与未涂层铣刀采用同样切削参数，刀具的铣削参数如右表所示。刀具失效判断依据为刀具周刃磨损≥0.1mm，以铣刀失效前的金属去除量作为其使用寿命指标。
由图5涂层铣刀与未涂层铣刀的使用寿命可见，铣刀经涂有TiN/Ti(CN)多层涂层后，使用寿命大大提高，达到未涂层铣刀的5倍多。
以上实验结果表明由于Ti(CN)涂层的硬度可达到30GPa以上，在TiN中插入Ti(CN)形成的TiN/Ti(CN)多层涂层可以明显提高涂层的硬度，而仍能保持TiN涂层与基体结合良好和表面抗高温氧化性好的原有优势。多层涂层形成的TiN3Ti(CN)内界面也可能改变单一涂层的柱状晶生长结构，提高涂层的韧性，从而提高涂层刀具的切削性能。
5 结论
由TiN和Ti(CN)形成的多层涂层能充分结合TiN涂层与基体结合力强和表面抗氧化性好以及Ti(CN)涂层硬度高的优势。用于铣刀干式切削时，取得了较无涂层铣刀寿命提高5倍的良好效果。
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