ZrN涂层YT15硬质合金刀具的制备及切削性能

目前, 常用的涂层材料有碳化物、氮化物、氧化 物、硼化物和硫化物等, 近年来还 发展了聚晶金 刚 石、立方氮化硼等。涂层结构也已由最初的 T iC 和 TiN 单涂层发展到复合多涂层, 如TiC/ T iCN / T iN、
收稿日期: 2008204208; 修订日期: 20092 03223 作者简介: 吴雄彪( 1965- ) , 男, 浙江浦江人, 副教授, 硕士。
时工作气压为 0. 45 P a, 由压强 控制仪控制工作气 体氩气, 使用流量计控制反应气体氮气的流量。通 入工作气体氩气后, 开启电弧离子镀和磁控溅射的 锆靶, 先沉积 5 min 在刀片上形成过渡锆层, 以提高 涂层与基体的结合力; 然后通入氮气, 制得 ZrN 层。 之后在电弧离子镀的靶源上放置钛靶, 按上述工艺 流程, 通入氮气后交替开启多弧离子镀的钛靶和中 频磁控溅射的锆靶, 各沉积 3 min。则分别得到不 同厚度的纯 ZrN 涂层和有过渡层的 ZrN/ T iN/ Zr、 ZrN/ Zr 复合涂层。
第 33 卷 第 8 期 2009 年 8 月
机械工程 材料
Mat erials for Mechanical Engineering
Vol. 33 No. 8 Aug. 2009
ZrN 涂层 YT15 硬质合金刀具的制备及切削性能
吴雄彪1 , 陈 英2 , 张雁平1 ( 1. 金华职业技术学院, 金华 321017; 2. 乐山职业技术学院, 乐山 614000)
Abstr act: T hr ee kinds of Zr N coatings were pr epar ed on YT15 cemented car bide by using combination
technologies of medium frequency magnetron sputtering, and ar c ion plating and the physical propert ies of the coatings were tested. The effect of different ZrN coatings on the cutting per for mance of the YT15 cemented carbide cutting tools was analyzed, and then compared with that of cutt ing tool without coat ing. The r esults show that the har dness of the YT15 cemented carbide tools deposited by ZrN coatings increased 12 GPa, and the ZrN coat ing with Zr tr ansition layer had better wear resistance and lower cutting for ce.
2 试验结果与讨论
2. 1 涂层的力学性能 由表 2 可知, ZrN、ZrN/ Zr 和 ZrN/ T iN/ Zr 涂
层的显微硬度均高于基体 YT 15 硬质 合金刀片的 ( 16. 5 GPa); 无过渡层的涂层硬度最高, 为 28. 0 GPa, 复合涂层硬度却略有降低。在基体材料相同的条件 下, 有锆过渡层的 ZrN 涂层厚度最大, 有锆过渡层
TiC/ Al2 O3 和 TiC/ Al2 O3 / TiN 等复合涂层。TiC 和 TiN 单涂层制备简单, 但在应用中也逐渐暴露了一些 问题, 如耐蚀性差、高温硬度低等。ZrN 涂层除具有 优良的耐腐蚀、耐高温、耐磨损性能, 还有良好的力学 性能和导电性能, 美观的金黄色外表等优点, 已广泛 应用于电子电路中的电接触层、珠宝业中的装饰层和 机械摩擦中的减摩层等, 但在刀具涂层的应用还不常 见。采用中频磁控溅射和电弧离子镀相结合的多功 能 PVD 涂层制备方法有利于得到较高致密度、较好 附着强度、耐久性强的涂层, 具有离化率高及沉积速 度快等优点, 已在生产中得到广泛的应用。为了提高 刀具的性能, 在某些应用方面取代 TiC 和 T iN 涂层 刀具, 作者采用中频磁控溅射和电弧离子镀相结合的 方法, 在最常用的、与 ZrN 最匹配的刀具材料 YT15 硬质合金上制备 ZrN 单涂层和复合 ZrN 涂层, 并通 过切削试验研究了涂层刀具的切削性能。
表面经清洗干燥后, 用对面角为 136b的金刚石四棱 体压头, 测试载荷为 10, 5, 3, 1, 0. 5 和 0. 25 N, 保压 5 s 后, 在 JCD2 型读数显微镜下测量压痕对角线的 长度, 通过计算得维氏硬度值。用 JSM25160 扫 描 电镜( SEM) 对不同载荷下涂层表面留下的压 痕进 行观察。比较 显微硬度随压头载 荷变化的情况 发 现, 当载荷大于 5 N 时, 压痕边际有压溃现象, 硬度 接近基材硬度; 而载荷小于 1 N 时, 压痕清晰, 硬度 值相差不大, 基本上反映了涂层的真实硬度。因此, 在涂层厚度一 定的条 件下, 涂层 的显 微硬 度值 取 01 5 N 载荷下的测量值, 每个试样的硬度取 6 个压 痕测量的平均值。
WU Xiong2biao1 , CHEN Ying2 , ZHANG Yan2ping1
( 1. Jinhua College of P rofession and Technology, Jinhua 321017, China; 2. Leshan Vocational and Technica l College, Leshan 614000, China)
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界面结合力测定采用划 痕试验法[ 2] , 在 MF T2 4000 型多功能材料表面性能试验机上进行, 将试样 用丙酮擦洗干净, 平稳地放置于试验机的夹具上, 用 锥角为 120 b、尖端半径为 0. 2 mm 的金刚石压头垂 直于涂层表面滑动, 通过声发射与摩擦力曲线测得 界面结合力。由于表面的质量缺陷会影响到声发射 信号, 还要通过 JSM25160 扫描电镜( SEM) 观察涂 层剥落程度才能最终确定界面结合力。
切削试验采用 CA6140 型普通车床, 被切削的工 件为 45 钢, 淬火态硬度为 40~ 42 HRC。切削试验参 数: 背吃刀量 ap = 0. 4 mm, 进给量 f = 0. 1 mm # r- 1 , 切削速度 v= 100~ 360 m # min- 1 。刀具几何角度: 前角 C= 15b, 后角 A= 5b, 主偏角 J = 45b, 刃倾角 K= 2b, 刀尖圆弧半径 r= 0. 5 mm; 干切削。采用 DJ2CL21 型压电晶体式测力仪测量切削力, 用 JCD2 型读数显 微镜测量后刀面磨损量 VB( 磨痕宽度) 。
由于基体负偏压、弧电流、氮气分压、沉积温度
和沉积时间等制备工艺参数对刀具的涂层硬度、涂 层厚度和界面结合力有较大的影响, 多次试验后确 定制备复合涂层的最佳工艺参数见表 1。
电弧电流/ A
锆靶
钛靶
90
80
表 1 制备 Zr N/ TiN/ Zr 复合涂层的工艺参数
Ta b. 1 Pr ocessing par ameter s for Zr N/ TiN/ Zr coatings
吴雄彪, 等: ZrN 涂层 YT 15 硬质合金刀具的制备及切削性能
的 ZrN/ T iN 复合涂层厚度最小。这是因为在沉积 过程中, 钛离子和锆离子相互碰撞, 导致沉积速度降 低, 所以, 在相同的沉积时间内, 涂层厚度最小。无 过渡层的涂层的界面结合力低于有过渡层涂层的, ZrN/ T iN/ Zr 涂层的结合力最 高, 无过渡 层的 ZrN 涂层的结合力最低。这是由于过渡层锆和复合涂层 TiN 与 YT15 基体和 ZrN 涂层之间发生离子扩散, 减小了涂层与基体之间的残余热应力, 从而提高了 涂层的结合力。
时间 / min
55~ 75
氩流量 / ( L # s- 1)
0. 25
氩分压 / Pa
1. 5
氮流量 / ( L # s- 1 )
0. 17
氮分压 / Pa
0. 10
偏压/ V(占空比)
清洗
过渡层
沉积
700( 0. 2) 600( 0. 2) 300( 0. 2)
1. 2 试验方法 采用 MH26 型维氏硬度计测试涂层硬度, 试样
涂层的硬度 和厚度对刀具的 耐磨性有较大 影 响, 硬度越高, 耐磨性相对也越高[ 3- 5] 。但是硬度高 了, 涂层的裂纹敏感度也增大。涂层过薄, 不能保护 基体材料, 耐磨性相对差些; 涂层太厚, 因涂层与基 体材料间的热膨胀系数的差别而产生的残余应力就 大, 过大的残余应力会导致裂纹产生, 从而使材料的 强度降低。因此, 涂层厚度应适宜。涂层的界面结 合力大表明涂层与刀具材料的匹配度好, 结合强度 也大, 刀具的使用寿命长。刀具材料与涂层材料匹 配度越好, 其热膨胀系数越接近, 刀具就会有高的导 热性能和耐热性[ 4- 6] 。 2. 2 刀具的切削性能
采用 MFT24000 型多功 能材料表 面性能试 验 机测量涂层厚度, 在制备刀具涂层前预先在其表面 贴一方形纸片, 涂层制 备完成后, 将纸片用酒精 擦 掉, 制成基体与涂层的台阶。将制备好的试样用丙 酮擦洗干净, 平稳地放置于试验机的夹具上, 将微小 载荷 0. 05 N 施 加 在 锥 角 为 120 b、尖 端 半 径 为 0. 5 mm的金刚石压头上并作用于涂层表面, 试样以 1 mm # s- 1 的速度作匀速直线运动, 通过位移传感 器得到压头的微小波动, 经过计算机处理得到涂层 和基体的落差曲线, 从而可得到涂层的厚度。
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吴雄彪, 等: ZrN 涂层 YT 15 硬质合金刀具的制备及切削性能
1 试样制备与试验方法
1. 1 试样制备 试验 YT 15 硬质合金刀片由江西八方合金焊接
材料厂生产, 采用北京天瑞星真空技术有限公司的 TRX28 型多功能离子镀膜设备进行中频磁控 溅射 和电弧离子镀, 用多功能 P VD 法 在刀片上制备 涂 层。溅射之前, 用金刚石研磨膏抛光硬质合金刀片, 然后分别用无水酒精和丙酮超声清洗 15 min, 干燥 后放进镀膜室; 将镀膜室抽真空至 7 @10- 3 Pa 后, 加热至 250 e 保温 20 min; 先用氩离子预浅射清洗 刀片 20 min, 清洗气压为 1. 5 Pa, 偏压为 700 V, 占 空比为 0. 2, 以除去刀片上的附着物。分别在 磁控 溅射离子镀和电弧离子镀的靶源上放置锆靶, 沉积