评估AlSiTiN和AlSiCrN纳米复合涂料对切割工具的耐磨性能

摘要：纳米复合涂料,包括纳米晶AlTiN或AlCrN分散在一个矩阵非晶态氮化硅基体上沉积硬金属通过阴极电弧周围性血管疾病。涂层厚度、粘附性能和硬度测量了。耐磨性是用摩擦磨损测试和主要磨损现象进行了研究SEM-EDS使用。然后被的涂料进行了功能测试作为刀具涂层为WC工厂的高速度、干铣削操作AISI平方米,难于切割模具钢材。切削性能和实验室结果讨论过的问题,结合磨损机理,在光的比较与商业nitride-coated工具。

1．介绍

创新的硬涂层磨损表面的保护得到极大的兴趣来自工业和研究机构许多地区,如切割、成型和铸造工具、机械组件一般甚至生物医学假肢。这个开发的高架机械和热表面合适通过沉积的关系硬涂层源于需要越来越多的组件的使用寿命和最好的性能。众所周知最重要的属性,为工具进行加工应用程序是硬度、韧性、化学稳定性或适当的修改。

近年来的研究努力一直面向开发超硬纳米复合薄膜如MxNy-Si3N4系统，即纳米晶过渡金属氮化物分散在一个非晶态氮化硅达到维克斯显微硬度高于40 GPa。

对这些特定系统的兴趣来自在不同的成分和灵活性沉积在工程他们的机械和化学性质（见1-3和引用其中）。另一个重要特性的这种材料、给定大小的粒子的结果是,高硬度结合高韧性,在仅有的一个明显的矛盾（见1和引用其中）。

大家知道这些属性是非常重要的刀具设计加工操作的难

机器的材料,特别是在极端条件下像切断,高速切削,干切削的组合和这些。一些研究小组已经执行了大量的在这一领域的研究工作,将注意力集中到这四组料系统，像TiAlSiN或CrAlSiN将比TiAlN，TiSiN或CrAlN这三个有更好的机械和氧化性能

在以前的作品,作者也考虑采取类似的系统

像涂料磨坊被应用在特别严重的条件[4,5]。另一方面,陶瓷薄膜Ti1-xAlxN和Cr1-xAlxN构图或已经发现极具吸引力的,

因为他们表现出优良的化学稳定性在非常高的温度下(高达800 8 C),和一般申请几高速加工工具、模具等。这是由于这样的事实,即抗氧化到现在为止还是被认为是最重要的一个因素对于提高力学性能以及涂层的切削性能[6、7]。

本文AlSiTiN的性能和AlSiCrN涂料,每个都有不同的结构和准备,进行了探讨和比较的性能和AlTiN商业AlCrN涂料进行切削工具。结果的特性和功能测试磨损机理进行了分析,并讨论了。

2．实验设置

2.1衬底和涂料

选中的基体材料是ISO K25(宣布组成:WC - 10%的公司)。基体也准备了形式的工厂的切割操作和光盘的特性研究。商业和实验涂料上沉淀HM ISO 400德国马克D.12/4 K25 R20牙齿米尔斯,COROMAX提供的。工作材料AISI平方米,高速钢钢铁一般用于模具和工具制造,HB250 as-annealed硬度。

商业涂料和纳米晶体AlTiN AlCrN。

陶瓷涂层沉积通过物理气相沉积(PVD)过程。沉积单元配备了横向电弧旋转阴极(LARC1)系统,有两个电极上。蒸发过程中金属和金属合金进入等离子体状态,结合气体离子化过程(氮)和最终浓缩到基材表面的一部分,陶瓷化合物。非晶和micro-nanocrystal线结构和层次发展与优化的热力学和动力学条件。Spinoidal分解允许建立锡和纳米结构分散在CrN氮化硅晶矩阵,典型的晶粒度增大约10 nm,从山峰披露XRD宽度。

以不同浓度和AlSi钛,或铬和AlSi在A-B多层交替结构,不同的值设置的弧电流Ti或者Cr(阴极n2。)vs。AlSi(阴极n.1)弧电流被从59%调整到240%。整个涂料增长率是估计在2.5毫米/ h。

涂层列表和主要工艺特点总结在表1中。实验多层的结构和梯度涂层是图1所示。

2.2实验测试

涂层厚度测定球侵蚀测试,一个20毫米的高强度钢球和一个磨料金刚石贴0.1毫米单晶金刚石颗粒。

摩擦和耐磨性进行了测试,用高温tribometer,使用一个球在阀瓣结构,多晶体氧化铝球、一个6毫米直径,恒负载10 N的一个线性的相对速度45厘米/ s在干旱条件下。这个

穿测试的时间长度是50000圈,而覆盖的距离是2000。测试都运行在室温和600 8 C。

测试结束时,穿跟踪测定接触表面形貌剂,用激光干涉仪对垂直峰值测量和尖端半径为2 mm。

涂层显微硬度测量与测试使用0.98 N维克斯负载(高压0.1),报道值的平均值三个测量。

穿分析了使用SEM和钨灯丝,配备了当前微探针对元素分析、和二次电子探测器进行图像采集和背向散射。

涂料粘附的基体上的划痕试验通过执行一个移动的金刚石压头压在样品表面与不断增加的负载(最大适用加载200 N)。

2.3 剪切测试

测试了涂层刀具的轮廓铣作业AISI M2工具钢,铣床,20千瓦的峰值功率。

磨损性能的评价标准是旁边的磨损,VBmax,根据ISO3685,测量使用CCD相机连接到PC的数字图像采集。

铣削在干旱条件下进行了测试与切削参数后:

米尔特点:直径= 12毫米;齿数= 4;

切削速度:150米/分;

深度削减:0.2毫米;

进刀量:0.050毫米/进给/齿;

最终检验标准:VB最大值 = 0.15毫米。

3、结果和讨论

3.1功能和力学分析

涂层厚度可比的全部样品,范围从2.5和3.3毫米厚度。商业和实验涂料被发表在表1(图2)。

摘要纳米压痕虽然是最合适的测试来评估微观和纳米硬度、维氏显微硬度测量在几毫米厚涂料仍提供了宝贵的比较结果,提供了样本有同样的基质和涂层厚度,使衬底上的影响的测量值相媲美。结果报道,图3中,是平均超过三个重复。不过10%不等。渗透深度范围从0.85到1.2毫米。

纳米复合涂层的显示了最高硬度值,而AlCrN证明是最困难的。考虑到更高的商业涂料厚度对AlSiTiN,差别在硬度大概是高于那些显示。

测试的结果显示在图4,那里的临界荷载相应的开头涂层去除(LC1)和总分层(LC3)报告。更高的值对应于更好的附着力。

观察附着力好所有的涂料,不过这些收藏品。纳米复合材料显示了更好的结果。商业AlCrN涂料一个相对低的差距和LC3 LC1观察,这意味着一个相对较高的负载所需的涂料分层开始,然后迅速的现象发生。对于其他的涂料,我们观察到的一个类似的行为:初始的散裂与描述的中间穿跟踪,其进步的传播导致最终的完整的超然。AlSiCrN显示了一个有点低粘连,特别是在梯度形式。

3.2摩擦学分析和磨损机理

至于穿测试、氧化铝球被选中是因为其高磨料权力,以便快速评估的耐磨性的涂料。此外,这个材料是即使是在高温下的化学稳定性,就可能消除影响的化学作用的样品和球材料。

穿定量进行跟踪深度和跟踪宽度作为评价参数,测量是通过一个表面形貌剂。跟踪深度的一个评价是穿在身上的样本,而更多的是取决于直接跟踪宽度在破旧的区域的球。结果在房间和600 8 C温度方面,跟踪深度测量,测试结束,图5所示。

结果清楚地显示的一个重要影响温度对涂料的耐磨性。事实上,在室温下测试表明良好的耐磨性AlCrN涂料,而在更高的温度AlSiTiN新开发的纳米复合材料,无论是多层和梯度显示最高的

性能。AlTiN涂料的性能范围处于中间位置。至于AlSiCrN涂料,他们在室温下表现很好,很完善的高温。

任何尖锐的分层现象都是期间观察到的测试,这表明不同的行为不能与粘附性能;另一方面,摩擦学数据表明温度诱导一些修改对涂料的表面。

EDS分析对涂层的表面磨损试验后室温(不是报道为了简洁起见)表明,没有特定的元素已经观察到的变化,表明氧化反应并非从热力学角度来说或动力支持在这个温度,因此磨损是被视为最可能的磨损机理。一些粒子氧化铝来自静态元素被发现的,暗示第三组磨损机理。

至于高温测试,显微图加上EDS表明AlCrN涂料被从一个大区域的接触表面。

类似的行为,虽然不重要,表明实验涂料AlSiCrN,在两个版本梯度和多层。这里一个低强度达到峰值0.53 keV在场,可以归因于两个氧气和铬。氧化不在这里预期低于1000 8 C,所以有氧气应该被排除在外。无花果。6和7,分别显示了高温磨损的痕迹AlSiCrN多层和梯度,高温磨损跟踪在更高的放大率和元素分析的AlSiCrN多层。在案件的AlSiTiN多层,整个磨损部位仍完全覆盖的涂料,如预期的结果图5。图8显示了一个高温磨损的痕迹AlSiTiN多层,连同里面的EDS分析(红线)和外部(黑线)磨损部位。twospectra的比较清楚地揭示出存在氧化磨损部位的。事实上,在研究类似的样本[5],提出了混合阶段的形成Al2O3和组成的SiO2。

这导致了增加对耐磨性。进一步,相对数量的铝、钛表明更高的铝含量对氧化层,可从其中所谓的流行的形成氧化铝代替脆金红石二氧化钛。至于AlSiTiN梯度涂层,没有重要的差异inbehaviour,除了那个表面成分是丰富的钛,因此更可能是形成金红石。附着力属性;另一方面,摩擦学数据显示.

总之,磨损AlSiCrN之间的差异和AlSiTiN涂料在不同温度下可以如下解释:在较低的温度,当没有表面改性的发生,AlSiCrN表现出较高的耐磨性,但是,当发生氧化、保护性氧化铝层表面上AlSiTiN形成,提高其耐磨性。

3.3切削试验

切削试验的结果,在非常恶劣的环境下执行使用作为工作的材料AISI平方米,无花果。9所示。实验工具显示通常是好的行为,往往比商业原因。特别是,它可以被观察到,因为当前的应用程序中,Cr-based涂料进行比Ti-based涂料更差。第二个观察到,AlSiTiN,无论是在多层和梯度版本,表现优于竞争对手。

如果我们比较结果的切削试验结果与高温滑动磨损测试,它可以观察到他们等级的涂料的性能几乎相同顺序表明,尽管工具工件界面温度肯定高于600 8 C和虽然切削试验都是运行在切断,温度起了主要作用在涂料失败。

4.结论

一些功能和机械性能,以及纳米复合材料的耐磨性和AlSiCrN涂料生产AlSiTiN通过阴极电弧PVD,以多层和梯度微观结构,分析和比较这些商业AlTiN和AlCrN薄膜。

所有的样品显示对基体附着力好,硬度高,特别是在纳米复合材料的情况。穿诱导通过在不同条件下的摩擦磨损试验显示非常依赖耐磨性在温度:事实上,而在室温下一个AlCrN涂料的优越性被观察到,在600年的8 C Ti-based涂料显示更高的抵抗。观察到的趋势在滑动测试在高温下获得类似于使用相同的涂料铣削加工业务。

通过SEM-EDS调查的磨损机理表明温度影响涉及的现象:在室温下磨损是主要负责,而在高温磨损主要是由于氧化现象,导致表面修饰。在这些最后的条件下,形成的一种

氧化的保护层氧化铝和铝硅提出了AlTiN和Ti为基础的纳米复合涂料、诱导增加耐磨性就AlCrN涂料,类似的现象并不明显。

拟议的磨损机制可以是一个指导原则,以预测在不同温度条件下的行为。可以认为,事实上,一个更好的性能Cr为基础涂料的作业没有温度驱动的表面改性发生,像攻或类似的操作。当更高的温度是相关的,其他涂料显得更加合适,由于氧化层形成的保护。

感谢

作者要感谢的Calzavarini ISTEC-CNR先生为援助在实验测试本文报道,皮埃蒙特地区为资助这一研究框架下的项目NANOMAT。