硬质合金刀具因其固有的优良特性已获得广泛的工程百富策略白菜网, 为了进一步提高硬质合金刀具的切削加工性能和使用寿命,工业发达国家80%以上的硬质合金刀具都经过表面涂覆处理[1]。 通常采用CVD、PVD技术在硬质合金刀具表面沉积Ti N、Ti C、Ti CN、Ti Al N和Al2O3等单层或多层薄膜, 其中PVD技术制备Ti CN硬质膜已成为改善硬质合金刀具性能的一种有效膜系, 并已在高速切削加工领域得到广泛百富策略白菜网[2,3,4,5]。 Ti CN硬质膜兼具Ti N膜附着强度好和Ti C膜耐磨性好的优点。 在Ti N膜中加入C,大大提高了膜层的硬度和模量,同时降低了膜层的摩擦系数,提高了其耐磨损性能[6,7,8]。Ti CN硬质膜颜色呈紫红色,表面硬度可达2 700~2 900 HV,抗氧化温度为500 ℃,附着强度好,硬度比Ti N高,且摩擦系数小,对粘结磨损有一定的抑制作用[9,10]。 基于Ti N膜和Ti C膜的不同优势,已有部分学者对梯度Ti CN膜进行研究,研发结果对于开发高效切削刀具涂层具有一定的指导意义,但并未进行系统深入的研究[11,12]。 本文的创新点在于采用基体的偏压梯度与工作气体(N2和C2H2)流量梯度调控相结合,制备膜层致密平滑、硬度高、结合力好、成分梯度变化的Ti CN硬质膜。

与传统电弧离子镀膜技术相比, 巴尔查斯-美科的多米诺平台METAPLAS DOMINO Mini配备的先进等离子辅助电弧(Advanced Plasma Assisted Arc,简称APA-Arc) 技术具有明显的优势, 它先进的磁场设计与优化技术,代表了电弧蒸发技术的发展趋势。 其优点是电弧运动速度更快、 蒸发的粒子尺寸更小、液滴更少、蒸发效率更高、靶材利用率更高、涂层附着力和力学性能优异、表面更光滑[13,14,15],在先进切削刀具、精密成型模具、关键零部件等领域具有良好的百富策略白菜网前景。

本文率先采用APA-Arc技术在YG6 硬质合金表面制备了成分梯度Ti CN硬质膜,重点对其表面和横截面组织、膜层物相和力学性能进行了系统研究。

选择市售株洲钻石公司YG6 硬质合金刀片为基体, 其成分为WC-6%Co (质量分数), 试验在Sulzer Metaplas Domino PVD系统中进行(如图1 所示),该设备配备电弧增强辉光放电(Arc Enhanced Glow Discharge,AEGD)离子清洗与刻蚀技术、 等离子体渗氮(Plasma Nitriding,PN)技术、先进等离子辅助电弧(Advanced Plasma Assisted Arc,APA-Arc)技术和高功率脉冲磁控溅射(High Power Impulse Magnetron Sputtering,HIPIMS)技术。 试验选择的靶材为高纯度Ti靶(99.99%),通入的反应气体是高纯N2(99.99%)和C2H2(99.5%)。 为保证涂层与基体间的结合强度,将YG6 硬质合金刀片先在无水乙醇溶液中超声波清洗20 min,然后烘干。 在进行镀膜工艺之前,利用AEGD技术对YG6 硬质合金刀片表面进行离子清洗60 min, 使基体表面的氧化物蚀除,增强膜层与基体的粘附性能。 接着采用APA-Arc技术原位制备成分梯度的Ti CN硬质膜, 膜层制备过程分为两个阶段: 阶段一为N2流量500 sccm,C2H2为5~40 sccm,C2H2流量逐渐增大; 阶段二为N2流量400 sccm,C2H2流量112 sccm; 通过控制N2和C2H2的气体流量来实现膜层成分梯度分布。 试验采用的主要工艺参数见表1。

采用带能谱仪(EDS)的Smart SEM V05.06 型扫描电子显微镜(SEM)对涂层表面/横截面进行形貌观察和微区成分分析; 用D/Max-3A型X射线衍射仪(XRD)进行膜层物相分析;用HMV-2T型显微硬度计对膜层进行硬度测量,载荷9 800 N,保载时间10 s,10 次测量结果取算术平均值;依据压痕试验规范(VDI 3198 standard 1991)采用洛氏硬度压痕试验法来评价硬质膜与基体的结合强度,圆锥形金刚石压头,载荷为588 N,保载时间为15 s;采用SMS Expert多功能光电3-D表面形貌仪分别测量涂层和基体的表面粗糙度。

X射线衍射分析既能确定膜层的相组成, 又可提供膜层晶粒的择优取向等微结构信息,而晶粒的择优取向又影响到膜层的附着强度、 硬度和耐磨性,因此X射线衍射分析对硬质膜的研究具有重要意义。 图2 为YG6 硬质合金上Ti CN硬质膜的XRD谱图。 基体主要由WC和Co相组成。 硬质膜中也出现了基体的Co相和WC相,主要是由于膜层较薄,X射线穿透膜层所致。 此外,与基体相比,硬质膜中的Co相和WC相轻微向高角度偏移, 原因可能是AEGD刻蚀阶段氩离子轰击, 使基体表面产生压应力,引起晶格常数略微变小,导致衍射峰略微向高角度偏移; 也可能是薄膜沉积初期,N2被离化后部分氮离子在基体脉冲偏压作用下,少量注入基体表层Co相和WC相晶格中,引起晶格畸变所致。 薄膜的择优取向可通过织构系数(Texture Coefficient,TC)确定,见公式(1)[16]。

式中I0 (hkl)是PDF标准粉末衍射卡片给出的(hkl)晶面的衍射强度,I(hkl)为薄膜中相对应(hkl)晶面的实测强度,n为计算的衍射峰数目。 计算结果表明,Ti CN硬质膜在(111)晶面的织构系数最大,且远大于1,可知薄膜呈较强的(111)晶面择优取向。 据报道,具有强烈择优取向的薄膜表面光亮度高、硬度高、耐磨性好,与基体有较高的附着强度[17]。

图3 为YG6 硬质合金基体与Ti CN硬质膜的表面形貌对比图。 从图3(a)中可见,在2 000 倍下YG6 硬质合金基体表面可以看到明显的凹坑、划痕等缺陷,WC颗粒明显外露, 组织较为疏松; 而图3(b)中可见Ti CN硬质膜表面整体上较平整,组织均匀致密,膜层表面上存在少量颗粒物、凹坑和气孔,且最大颗粒物和凹坑直径约2 μm,与Lei等人[18]采用普通多弧离子镀形成的10~20 μm的大颗粒物相比,尺寸显著变小、数量更少,表明膜层表面质量良好。 利用能量色散谱仪(EDS)对Ti CN硬质膜上的颗粒物(图3(c)所示)进行微区成分分析,结果表明大颗粒主要由Ti、N、C元素组成,相对含量见图3(d),其原子比为Ti38.94N40.89C20.17。 这些大颗粒主要是在膜层沉积过程中, 从靶材蒸发的液滴粒子未完全被离化即被沉积在膜层上形成的, 部分粒子轻微粘附在膜层表面,与膜层表面结合力较差,在高能粒子轰击下容易脱落,最终在膜层表面形成凹坑。

图4 是Ti CN硬质膜横截面的高低倍形貌,可见,膜层组织均匀致密,厚度约3 μm,无气孔、裂纹等缺陷,且与基体锁合良好;由于采用金相横截面制样法, 薄膜内未见柱状晶生长特征。 采用线扫描对YG6 硬质合金上Ti CN硬质膜横截面进行成分分析,结果见图5。 可见,膜层中主要元素是Ti、N、C,膜-基界面区含有少量Ti、N、C、W和Co, 表明在沉积Ti CN硬质膜的过程中, 膜基界面存在基体元素与沉积物元素原子的混合区。 Ti CN硬质膜成分呈梯度分布, 薄膜中N元素主要分布在膜层底部区域,而C元素主要分布在表层,这主要是由于膜层沉积过程中第一阶段N2流量相对较多、C2H2气流量相对较少,而第二阶段,N2流量略微减少、C2H2气流量显著增加导致。

传统的Ti CN薄膜往往是碳和氮元素在膜层中呈均匀分布的单层膜, 或者是Ti C和Ti N层交替沉积的多层Ti CN膜。 前者无成分的梯度变化,得到的Ti CN整体膜层没有有效发挥Ti N膜附着强度好和Ti C膜耐磨性好的优点; 后者实质是Ti C和Ti N层的机械叠加, 而不是真正意义上C原子固溶于Ti N晶格中所形成的固溶体。 与传统Ti CN膜层相比,本试验制备的成分梯度Ti CN硬质膜中C元素的含量从膜基结合部位到膜层表面逐渐增加,表层C含量较高,有利于提高膜层硬度、降低摩擦系数。 膜层近底层N元素含量高,有效增强膜层的附着性能。 同时,膜层中成分的梯度变化,能够降低膜层成分突变所引起的内应力。

依据压痕试验规范(VDI 3198 standard 1991)进行Ti CN硬质膜附着性的测试, 压痕形貌如图6(a)所示,压痕轮廓处未出现裂纹或剥落,表明膜层与基体附着良好。 根据图6(b)所示压痕法附着强度标准谱图,可以判断该膜层附着强度等级为HF1 级,这与图4 膜基横截面形貌中锁合良好相一致。 制备过程中采用电弧增强辉光放电技术(AEGD)对基体表面进行离子清洗与刻蚀,有效提高了膜基附着性。此外,近底层N含量高,易于生成富Ti N相,能够有效发挥Ti N相附着性好的优势,而且,成分的梯度变化降低了膜层内应力,也有利于提高膜基附着性。

YG6 硬质合金基体和Ti CN硬质膜的显微硬度测定结果表明, 基体硬度平均值为1 624 HV0.05,Ti CN膜层硬度平均值为3 110 HV0.05,硬度最高达到3 320 HV0.05, 与基体硬度相比硬质膜平均硬度提高了1 486 HV0.05,是基体的1.9 倍。 主要由于基体组织中存在空洞、疏松和划痕等缺陷,而先进等离子辅助电弧技术沉积的Ti CN硬质膜组织均匀、致密。 值得一提的是,Azadi等人[19]制备的Ti N单层硬度为20GPa(约1 860 HV)、Ti C单层的硬度为27 GPa(约2500 HV) 以及Ti N/Ti C复合多层的硬度为29 GPa(约2 690 HV),相比之下,本试验制备的成分梯度变化的Ti CN单层硬度显著提高。

采用3-D表面形貌仪对YG6 硬质合金原始基体和Ti CN硬质膜分别进行了表面粗糙度分析,见图7。 可见,Ti CN硬质膜与基准位置140 μm的上下偏差相对较小, 大体分布在基准范围(图中绿色区域), 经软件计算其平均粗糙度Ra值约0.19 μm;YG6 硬质合金原始基体与基准位置的上下偏差较大,最大上偏差达到了2 μm,下偏差也较大,经计算其平均粗糙度Ra值约0.26 μm。 与原始基体相比,Ti CN膜层的粗糙度略微降低,该结果与图3 观察的表面形貌状态相吻合。

1) 采用APA-Arc技术在YG6 硬质合金表面成功制备了底层富氮、 表层富碳的成分梯度Ti CN硬质膜。 膜层厚度约3 μm,组织均匀致密、缺陷数量少,膜基界面锁合良好;膜层呈现较强(111)晶面择优取向;膜层的表面粗糙度Ra值约0.19 μm,与原始基体相比,薄膜表面粗糙度略微降低。

2) 成分梯度Ti CN硬质膜表现出良好的力学性能。 洛氏压痕试验结果表明膜层与基体附着强度为HF1 级;膜层显微硬度约3 110 HV0.05,是YG6 硬质合金基体(1 624 HV0.05)的1.9 倍。