第八章 硬質(zhì)膜

硬質(zhì)膜HSS <1000 -常見薄膜和基體材料的硬度比較不同類型硬質(zhì)鍍層材料比較還可合成多元氮化物如Zr-Ni-N硬度可達(dá)50GPa多元膜可提高硬度Balzers1980FirstSuccessfulApplications

TiNoncuttingtools早期發(fā)展中，TiN以其色澤和綜合性能獲得用戶認(rèn)可。

綜合性能在摩擦學(xué)中以下述為主：

硬度

摩擦系數(shù)

抗氧化性TiN鍍層鉆頭鉆頭壽命和進(jìn)刀量間關(guān)系。取實(shí)際使用值，TiN可提高3-4倍。新鍍層磨刃后未鍍磨刃后鋁硅合金軟基體硬質(zhì)點(diǎn)TiCN比TiN效果好，鉆孔數(shù)可提高至3倍。TiN和TiCN鍍層的比較TiCN比TiN硬但較脆TiN加入C形成多元膜TiCNTiAlN已成為主要鍍層通過改變成分如選NbN，ZrN等、形成多元素復(fù)合如TiSiN等以及多層鍍?nèi)鏣iN/AlN等的研究，表明TiAlN可以獲得在性能價(jià)格比上最佳的效果。硬度，抗氧化，摩擦系數(shù)等均優(yōu)于TiN，而Al又比Ti便宜。均一成分的單層在工藝上易控制，質(zhì)量穩(wěn)定。TiAlN硬度隨Ti和Al相對量變化加Al后，TiN由25GPa增至TiAlN40GPa硬度楊氏模量不同方法獲得TiAlN硬度值不同，此處Al加入后，由TiN的HV2000增至3000。Ti-Si-N鍍層硬度與Si含量的關(guān)系TiN加入Si形成多元膜TiSiNTiN Ti-Si-N(12%)TiN加入Si后柱狀晶消失Ti-Si-NDiffractionpatterofTiNOptimizedatalevelofgrainsizeTiAlSiNoptimizedatTi50%,Si6%調(diào)配成分當(dāng)Ti50%,Si6%時(shí)TiSiN可獲得最高硬度，達(dá)到43GPa。Si的加入有利于高溫硬度。濺射TiB2靶沉積TiBN膜元素含量對TiAlBN薄膜性能的影響TiN、TiC加入B形成多元膜TiBN、TiBCTiN中加Cr可穩(wěn)定提高硬度TiN中加入Cr形成多元膜TiCrNCrN鍍層CrNx以Cr為主要元素的鍍層在九十年代初引起注意并發(fā)展起來。CrN具有較高韌性，比TiN更適合于沖擊載荷下的應(yīng)用。木工工具如帶鋸等，鍍層均用CrN。CrN抗氧化能力比TiN好。TiN不宜加工Cu，而CrN效果好。CrN硬度比TiN低，色澤也不如TiN。SurfaceandCoatingsTechnology86687(1996)184-191DevelopmentofchromiumnitridecoatingssubstitutingtitaniumnitrideGiinterBerg*,Ti2N不出現(xiàn)而有Cr2NCrN沉積速率高4倍氮越高，沉積速率越慢CrN比TiN氮高3倍N含量增加時(shí)由Cr轉(zhuǎn)為Cr2N，CrNCrN和TiN的硬度大體相當(dāng)Cr2N獲得窗口小，分散度也小N含量增加時(shí)結(jié)晶狀態(tài)的改變柱狀晶特征有淡化趨勢硬度受晶粒度影響應(yīng)該服從Hall-petch關(guān)系早期弧鍍比較TiN和CrN硬度磨損TiNCrNTiNCrN納米CrN+TiN和CrN,TiN硬度和熱穩(wěn)定性比較CrN和Cu間摩擦系數(shù)低有特殊優(yōu)越性對銅CrN和TiN顯示很大差別TiN的耐磨性不如工具鋼鋼鋼CrNCrNTiNTiNTiN、TiCN、CrN和WC/C鍍層的性能比較Cr9Al1NCr3Al1N高鋁有助抗氧化外徑95mm推力軸承和GCr15滾柱或鍍ZrN止推板在油循環(huán)冷卻下對磨。TiAlN雖然硬度高，但和ZrC相似，結(jié)合力均低，在80kN壓力下易于剝落，故壽命低，尚不及未鍍的GCr15。CrAlN各項(xiàng)性能均處于中等地位，表現(xiàn)出好的抗磨性。WC/C鍍層因摩擦系數(shù)低，雖然結(jié)合力不高，也有很高的抗磨性。Wear253(2002)WearresistanceofPVD-coatingsinrollerbearingsAachen

GCr15鋼不同鍍層磨損GCr15的原始水平Cr加入TiAlN明顯地增加抗氧化性CrTiAlN和TiAlN有相似的結(jié)合強(qiáng)度CrTiAlN和TiAlN的比較M35含鈷高速鋼6.8mm鉆頭1800rpm(38.5/min)進(jìn)給0.28mm/rev無冷卻，灰鐵未鍍TiAlNTiAlCrNCr50%干鉆灰鐵CrTiAlN比TiAlN好CrTiAlN，CrN，TiAlN的壓入試驗(yàn)洛氏硬度150公斤CrNCrTiAlNTiAlNTeerUDP獲得結(jié)果CrTiAlN性能硬度：>30GPa結(jié)合力：>60N5mmWC球，40N加載，200mm/s,1小時(shí)無明顯磨損與TiN比，CrTiAlN鉆孔數(shù)可多1倍左右CrTiAlNWorkpieceMaterial:PlainCarbonSteel(EN9)~190HVTool:TungstenCarbideDrills(6.4mm?)Coating NumberofHolesCrTiAlN 328Uncoated 73185rpm(64m/min)&0.30mm/revlubricated:7.5%oilconcentratedwaterbasedcoolantHoles:Through(19mmdeep)DrillingPerformanceCrTiAlNWorkpieceMaterial:AlloySteelEN24~363HV Tool:HighSpeedSteel(1/4”?drills)

Holes:Through(12.6mmdeep)2440rpm(48.7m/min)&0.11mm/rev&268mm/minlubrication:7.5%oilconcentratedwaterbasedcoolantCoating NumberofHolesCrTiAlN 232Uncoated 0DrillingPerformanceCrAlTiNCr/Ti在相當(dāng)寬范圍內(nèi)穩(wěn)定的硬度、結(jié)合力

PoD,5mmWC/Coball,200mms-1CrTiAlNCr/Ti在相當(dāng)寬范圍內(nèi)穩(wěn)定摩擦磨損性能

DrillingSpeed:4050rpm,(equivalentto>80m/min)

Feed:945mm/minConditions:Throughhole,20mmCoolant:CimstarMB603,5%,DrilltestSamplesOnefoldTwofoldThreefoldCrAlTiCrCoatingDeposition-CFUMSIP-1Ti,1Al,2Cr-Ar-N2OEMcontrolloopDepositionProcessCrTiAlN多層膜復(fù)合的方法除多元外可形成多層，層厚可降至納米，成為納米調(diào)幅結(jié)構(gòu)。TiN/NbN多層5nmCrTiAlN鍍程序CrNCrTiAlNSubstrate高速鋼基體1200目拋光Crbondlayer0.2μmCr底層Gradedlayer0.3μmCrTiAlN梯度層Nanolayers4μmCrTiAlN多層,其中10nm<<15nm,CrN層~6.0nm25nmQuelle:A:Matthews,UniversityofHull,UKA.Matthews,UniversityofHull,U.K.FractureToughnesofasingle-andmulti-layerMultilayerswithamodulationofelasticmodulihinderthecrackspropagation65%Ti，35%Al的TiAlN和WC形成調(diào)幅結(jié)構(gòu)，波長為10-20nm在TiN的底層上沉積TiAlN/WC白色為TiAlN黑色WCRenucleationattheincoherentinterfaceTiN+AlTiN和CrN+TiN調(diào)幅周期與硬度理論曲線BufferlayerdecreasesresidualstressBufferthicknessonscratchresults摩擦系數(shù)和層數(shù)關(guān)系多層的摩擦模型SurfaceandCoatingsTechnology163.164(2003)571.577Cr+CrN層薄，磨損量低MonoMulti納米晶超硬膜納米復(fù)合超硬膜結(jié)構(gòu)示意圖納米晶與非晶結(jié)構(gòu)納米復(fù)合TiN晶粒尺寸與硬度關(guān)系Ti-Cu-N多元膜中Cu%與硬度關(guān)系由于形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，軟金屬加入也可提高硬質(zhì)膜硬度Grainsizevs.Cu%inTi-Cu-NTiN199719931990PVDCoatingDevelopment19851987TiCN,CrNTiAlNWC/CandMoS2CandDLC(newgeneration)2000TiAlSiN,super-latticeHardCoatings:(TiN,TiCN,CrN,TiAlN,...)Uses:cuttingandformingapplicationsLessefficient:WearProtectionWhy?:High,abrasiveduetohardnessandsurfaceroughnessDLCProperties:Hard,lowerfriction.mechanicalcomponentapplicationsUses:lowsincethecoatingsintroductionProblems:HardnessbrittlenessLowadhesionlevelloadbearingcapacitylimitedHardcoatingsLubricantcoatingsMe-CHProperties:Lesshard,lessbrittle,verygoodadhesion,mediumloadbearingcapacity,lowfriction(0.15).Self-LubricantsBasedonMoS2(MoST)andC(Graphit-iC)Wearprotection:Necessarytouseatruesolidlubricanttoenabletheprotectionoftheoppositesurfacebyformationofatransferlayer.Uses:MoS2: