孔德军等：AITiCrN涂层结合界面组织特征与结合性能 ·1625· 韧性、较高的硬度、耐磨性和红硬性四，在刀具行业得 击5min.然后通入工作气体N,在偏压为-100V时 到广泛应用.目前国外90%以上车刀和55%以上铣 启动Al靶轰击基体60min,即可得到AITiCrN涂层. 刀均采用硬质合金材料制造，一般硬质合金的硬度 采用JSM-6360LA型扫描电镜观察AlTiCrN涂层表面 为HRA86~93,相当于HRC69~81,无法满足对加工 形貌，通过其配置的电子能谱仪分析表面化学元素组 速度和精度的要求，需要开发高硬度、抗磨损和抗氧化 成和结合界面线扫描与面扫描，并用D/max2500PC 的涂层材料.通过物理气相沉积、化学气相沉积、超音 型X射线衍射仪分析涂层物相.涂层界面结合强度在 速火焰喷涂等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合 WS-2005薄膜附着力自动划痕仪上测量.测试参数： 物4，使基体强韧性与涂层耐磨性相结合，提高硬质 加载载荷100N,加载速率100N·min',划痕速度 合金刀具综合性能-，适合于高速干切削加工-切 4 mm*min AlTiCrN四元涂层可满足上述要求，其中Ti基硬度高、 摩擦系数低，C基热稳定性较好，Al基抗高温氧化能 2结果分析与讨论 力强.国内外对于AlTiCrN涂层制备工艺、力学性能、 2.1表面形貌与能谱分析 减摩性能和高温耐磨耐蚀性能进行大量研究，但是对 由于离子轰击能比较强，反溅射效应明显，在涂层 AITiCrN涂层界面扩散机理和结合强度的表征研究甚 表面形成微孔缺陷，如图1(a)所示.涂层表面有明显 少.笔者采用阴极离子镀在YT14硬质合金刀具表面 的岛状颗粒，为制备过程中形成的液滴圆.其主要来 制备AlTiCrN涂层，通过扫描电镜、能谱仪和X射线衍 源：(1)由于阴极离子镀是采用高电流在阴极局部放 射仪分析A1TiCN涂层表面和界面形貌、化学元素组 电，全部电流集中于阴极表面上一个或多个小的发亮 成和物相，采用线扫描与面扫描分析涂层界面结合状 斑点，其电流密度非常高，造成阴极靶材局部融化形成 态，并用划痕法定量表征其界面层结合强度. 小熔池，在电场作用下射向基体，形成液滴：(2)由于 涂层制备过程中氨气压偏小，使涂层表面颗粒数量增 1实验方法 多，尺寸也有所增大，在AlTiCrN涂层的制备中氮气压 实验选用YT14硬质合金刀具作为基体，利用纯 增加可提高氮等离子体密度，有利于在基体表面形成 度为99.99%的Ti靶、Al靶和Cr靶制备AlTiCrN多元 致密的AlTiCrN.alTiCrN涂层化学元素的质量分 复合涂层.试样经800~1200号砂纸和金相砂纸打 数(%)为T20.48、A125.57、Cr19.63和N34.32,原 磨，粒度为2.5的金刚石抛光剂抛光至镜面，再先后放 子数分数(%)为Ti13.44、Al21.87、Cr15.31和N 入丙酮和乙醇溶液超声波清洗10min,除去基体表面 49.39,如图1(b)所示.其中A1、Ti和Cr原子数与N 杂质和油脂，恒温烘干后，在德国PVT镀膜机上镀膜. 原子数之比接近于1：1，表明涂层主要是由Ti、AI和Cr 镀膜参数：本底真空优于2×10-3Pa;采用质量流量控 的氮化物组成，提高了涂层表面显微硬度.采用2100 制器控制反应气体N,与保护气体A气流量，保持本 TUKON型显微硬度计在0.049N载荷作用下，保持时 底为真空：工作温度为300℃；Ti靶、A1靶和C靶弧电 间为10s,测得AlTiCrN涂层的显微硬度为HV3280~ 流各保持为60A:涂层沉积时间为2h.首先将设备抽 3320. 真空至2×103Pa时加热除气，当设备中本底真空度 2.2物相分析 再次达到2×l0-3Pa时，通入Ar保护气体至5Pa,对 YT14硬质合金的物相以WC和TiC为主，如图2 试样辉光溅射清洗10min和对靶材料弧光轰击清洗 (a)所示.AlTiCrN涂层的BI-NaCl型面心立方结构， 30min,加热基体至500℃随后在偏压为-300V和占 这是涂层具有高硬度和高耐磨性的结构基础的.如 空比为80%下，分别启动Ti靶和C靶对基体分别轰 图2(b)所示，物相主要以AlN、CN和TiN为主，其中 a 6000r 5000 4000 3000 2000 1000 Cr Ti Cr 01 2345678910 能量keV 图1 AITiCrN涂层表面形貌(a)与能谱(b) Fig.1 Surface morphology (a)and energy spectrum (b)of the AlTiCrN coating孔德军等: AlTiCrN 涂层结合界面组织特征与结合性能 韧性、较高的硬度、耐磨性和红硬性［2］，在刀具行业得 到广泛应用． 目前国外 90% 以上车刀和 55% 以上铣 刀均采用硬质合金材料制造［3］，一般硬质合金的硬度 为 HＲA 86 ～ 93，相当于 HＲC 69 ～ 81，无法满足对加工 速度和精度的要求，需要开发高硬度、抗磨损和抗氧化 的涂层材料． 通过物理气相沉积、化学气相沉积、超音 速火焰喷涂等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合 物［4--5］，使基体强韧性与涂层耐磨性相结合，提高硬质 合金刀具综合性能［6--8］，适合于高速干切削加工［9--12］． AlTiCrN 四元涂层可满足上述要求，其中 Ti 基硬度高、 摩擦系数低，Cr 基热稳定性较好，Al 基抗高温氧化能 力强． 国内外对于 AlTiCrN 涂层制备工艺、力学性能、 减摩性能和高温耐磨耐蚀性能进行大量研究，但是对 AlTiCrN 涂层界面扩散机理和结合强度的表征研究甚 少． 笔者采用阴极离子镀在 YT14 硬质合金刀具表面 制备 AlTiCrN 涂层，通过扫描电镜、能谱仪和 X 射线衍 射仪分析 AlTiCrN 涂层表面和界面形貌、化学元素组 成和物相，采用线扫描与面扫描分析涂层界面结合状 态，并用划痕法定量表征其界面层结合强度． 图 1 AlTiCrN 涂层表面形貌( a) 与能谱( b) Fig． 1 Surface morphology ( a) and energy spectrum ( b) of the AlTiCrN coating 1 实验方法 实验选用 YT14 硬质合金刀具作为基体，利用纯 度为 99. 99% 的 Ti 靶、Al 靶和 Cr 靶制备 AlTiCrN 多元 复合涂层． 试样经 800 ～ 1200 号砂纸和金相砂纸打 磨，粒度为 2. 5 的金刚石抛光剂抛光至镜面，再先后放 入丙酮和乙醇溶液超声波清洗 10 min，除去基体表面 杂质和油脂，恒温烘干后，在德国 PVT 镀膜机上镀膜． 镀膜参数: 本底真空优于 2 × 10 － 3 Pa; 采用质量流量控 制器控制反应气体 N2 与保护气体 Ar 气流量，保持本 底为真空; 工作温度为 300 ℃ ; Ti 靶、Al 靶和 Cr 靶弧电 流各保持为 60 A; 涂层沉积时间为 2 h． 首先将设备抽 真空至 2 × 10 － 3 Pa 时加热除气，当设备中本底真空度 再次达到 2 × 10 － 3 Pa 时，通入 Ar 保护气体至 5 Pa，对 试样辉光溅射清洗 10 min 和对靶材料弧光轰击清洗 30 min，加热基体至 500 ℃ 随后在偏压为 － 300 V 和占 空比为 80% 下，分别启动 Ti 靶和 Cr 靶对基体分别轰 击 5 min． 然后通入工作气体 N2，在偏压为 － 100 V 时 启动 Al 靶轰击基体 60 min，即可得到 AlTiCrN 涂层． 采用 JSM--6360LA 型扫描电镜观察 AlTiCrN 涂层表面 形貌，通过其配置的电子能谱仪分析表面化学元素组 成和结合界面线扫描与面扫描，并用 D /max 2500PC 型 X 射线衍射仪分析涂层物相． 涂层界面结合强度在 WS--2005 薄膜附着力自动划痕仪上测量． 测试参数: 加载载 荷 100 N，加 载 速 率 100 N·min － 1，划 痕 速 度 4 mm·min － 1 ． 2 结果分析与讨论 2. 1 表面形貌与能谱分析 由于离子轰击能比较强，反溅射效应明显，在涂层 表面形成微孔缺陷，如图 1( a) 所示． 涂层表面有明显 的岛状颗粒，为制备过程中形成的液滴［13］． 其主要来 源: ( 1) 由于阴极离子镀是采用高电流在阴极局部放 电，全部电流集中于阴极表面上一个或多个小的发亮 斑点，其电流密度非常高，造成阴极靶材局部融化形成 小熔池，在电场作用下射向基体，形成液滴; ( 2) 由于 涂层制备过程中氮气压偏小，使涂层表面颗粒数量增 多，尺寸也有所增大，在 AlTiCrN 涂层的制备中氮气压 增加可提高氮等离子体密度，有利于在基体表面形成 致密的 AlTiCrN［14］． AlTiCrN 涂层化学元素的质量分 数( % ) 为 Ti 20. 48、Al 25. 57、Cr 19. 63 和 N 34. 32，原 子数 分 数( % ) 为 Ti 13. 44、Al 21. 87、Cr 15. 31 和 N 49. 39，如图 1( b) 所示． 其中 Al、Ti 和 Cr 原子数与 N 原子数之比接近于 1∶ 1，表明涂层主要是由 Ti、Al 和 Cr 的氮化物组成，提高了涂层表面显微硬度． 采用 2100 TUKON 型显微硬度计在 0. 049 N 载荷作用下，保持时 间为 10 s，测得 AlTiCrN 涂层的显微硬度为 HV 3280 ～ 3320． 2. 2 物相分析 YT14 硬质合金的物相以 WC 和 TiC 为主，如图 2 ( a) 所示． AlTiCrN 涂层的 B1--NaCl 型面心立方结构， 这是涂层具有高硬度和高耐磨性的结构基础［15］． 如 图 2( b) 所示，物相主要以 AlN、CrN 和 TiN 为主，其中 · 5261 ·