第八章 硬质膜【知识发现】

1、硬质膜,1,学习园地,HSS1000-,常见薄膜和基体材料的硬度比较,2,学习园地,不同类型硬质镀层材料比较,3,学习园地,4,学习园地,5,学习园地,还可合成多元氮化物 如Zr-Ni-N硬度可达50GPa,6,学习园地,多元膜可提高硬度,7,学习园地,Balzers 1980,First Successful Applications,TiN on cutting tools,8,学习园地,早期发展中，TiN以其色泽和综合性能获得用户认可。综合性能在摩擦学中以下述为主：硬度摩擦系数抗氧化性,9,学习园地,TiN 镀层钻头,钻头寿命和进刀量间关系。 取实际使用值，TiN可提高3-4倍。,新镀层

2、,磨刃后,未镀,磨刃后,10,学习园地,铝硅合金软基体硬质点 TiCN比TiN效果好，钻孔数可提高至3倍。,11,学习园地,TiN和TiCN镀层的比较,TiCN比TiN硬但较脆,TiN加入C形成多元膜 TiCN,12,学习园地,TiAlN已成为主要镀层,通过改变成分如选NbN，ZrN等、形成多元素复合如TiSiN等以及多层镀如TiN/AlN等的研究，表明TiAlN可以获得在性能价格比上最佳的效果。 硬度，抗氧化，摩擦系数等均优于TiN，而Al又比Ti便宜。 均一成分的单层在工艺上易控制，质量稳定。,13,学习园地,TiAlN硬度随Ti和Al相对量变化加Al后， TiN由25GPa增至TiAlN

3、 40GPa,硬度,杨氏模量,14,学习园地,不同方法获得TiAlN硬度值不同，此处 Al加入后，由TiN的HV2000增至3000。,15,学习园地,Ti-Si-N 镀层硬度与Si含量的关系,TiN加入Si形成多元膜TiSiN,16,学习园地,TiNTi-Si-N (12%),TiN加入Si后柱状晶消失,17,学习园地,Ti-Si-N Diffraction patter of TiN,18,学习园地,Optimized at a level of grain size,19,学习园地,TiAlSiN optimized at Ti 50%, Si 6%,调配成分当Ti 50%, Si 6%

4、时TiSiN可获得最高硬度，达到43GPa。Si的加入有利于高温硬度。,20,学习园地,溅射TiB2靶沉积TiBN膜,21,学习园地,元素含量对TiAlBN薄膜性能的影响,22,学习园地,TiN、TiC 加入B 形成多元膜 TiBN、 TiBC,23,学习园地,TiN中加Cr可稳定提高硬度,TiN中加入Cr 形成多元膜 TiCrN,24,学习园地,CrN镀层,CrNx以Cr为主要元素的镀层在九十年代初引起注意并发展起来。 CrN具有较高韧性，比TiN更适合于冲击载荷下的应用。木工工具如带锯等，镀层均用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Ti

5、N低，色泽也不如TiN。,25,学习园地,Surface and Coatings Technology 86687 (1996) 184-191 Development of chromium nitride coatings substituting titanium nitride Giinter Berg *,Ti2N不出现 而有Cr2N CrN沉积速率高4倍 氮越高， 沉积速率越慢 CrN比TiN氮高3倍,26,学习园地,N含量增加时由Cr转为Cr2N，CrN,27,学习园地,CrN和TiN的硬度大体相当 Cr2N获得窗口小，分散度也小,28,学习园地,N含量增加时结晶状态的改变 柱

6、状晶特征有淡化趋势,29,学习园地,硬度受晶粒度影响 应该服从Hall-petch关系,30,学习园地,早期弧镀 比较TiN和CrN,硬度 磨损,TiN,CrN,TiN,CrN,31,学习园地,纳米CrN+TiN和CrN,TiN 硬度和热稳定性比较,32,学习园地,CrN和Cu间摩擦系数低 有特殊优越性,33,学习园地,对铜 CrN和TiN显 示很大差别 TiN的耐磨性 不如工具钢,钢,钢,CrN,CrN,TiN,TiN,34,学习园地,TiN、TiCN、CrN和 WC/C镀层的性能比较,35,学习园地,Cr9Al1N Cr3Al1N,高铝有助抗氧化,36,学习园地,外径95mm推力轴承和GC

7、r15滚柱或镀ZrN止推板在油循环冷却下对磨。 TiAlN虽然硬度高，但和ZrC相似，结合力均低，在80kN压力下易于剥落，故寿命低，尚不及未镀的GCr15。 CrAlN各项性能均处于中等地位，表现出好的抗磨性。 WC/C镀层因摩擦系数低，虽然结合力不高，也有很高的抗磨性。,Wear 253 (2002) Wear resistance of PVD-coatings in roller bearings Aachen GCr15钢不同镀层磨损,37,学习园地,GCr15的原始水平,38,学习园地,Cr加入TiAlN明显地增加抗氧化性,39,学习园地,CrTiAlN和TiAlN有相似的结合强度

8、,40,学习园地,CrTiAlN和TiAlN的比较,41,学习园地,M35含钴高速钢 6.8mm钻头 1800rpm(38.5/min) 进给0.28mm/rev 无冷却，灰铁,未镀,TiAlN,TiAlCrN Cr50%,42,学习园地,干钻灰铁CrTiAlN比TiAlN好,43,学习园地,CrTiAlN，CrN，TiAlN的压入试验 洛氏硬度150公斤,CrN,CrTiAlN,TiAlN,Teer UDP获得结果,44,学习园地,CrTiAlN性能,硬度：30GPa 结合力：60N 5mmWC球，40N加载，200mm/s,1小时无明显磨损 与TiN比，CrTiAlN钻孔数可多1倍左右,4

9、5,学习园地,CrTiAlN,Workpiece Material: Plain Carbon Steel (EN9) 190 HV,Tool: Tungsten Carbide Drills (6.4 mm ),CoatingNumber of Holes CrTiAlN328 Uncoated 7,3185rpm (64m/min) & 0.30mm/rev lubricated: 7.5% oil concentrated water based coolant,Holes: Through (19mm deep),Drilling Performance,46,学习园地,CrTiAlN

10、,Workpiece Material: Alloy Steel EN24 363HV Tool: High Speed Steel (1/4” drills),Holes: Through (12.6 mm deep),2440rpm (48.7m/min) & 0.11mm/rev & 268mm/min lubrication: 7.5% oil concentrated water based coolant,CoatingNumber of Holes CrTiAlN232 Uncoated 0,Drilling Performance,47,学习园地,CrAlTiN Cr/Ti在相

11、当宽范围 内稳定的硬度、结合力,48,学习园地,PoD, 5 mm WC/Co ball, 200 mms-1,CrTiAlN Cr/Ti在相当宽范围 内稳定摩擦磨损性能,49,学习园地,Drilling Speed:4050 rpm, (equivalent to 80m/min) Feed: 945mm/min Conditions: Through hole, 20mm Coolant: Cimstar MB603, 5%,Drill test,50,学习园地, Coating Deposition - CFUMSIP - 1 Ti, 1 Al, 2 Cr - Ar - N2 OEM c

12、ontrol loop,Deposition Process,CrTiAlN,51,学习园地,多层膜,52,学习园地,复合的方法除多元外可形成多层，层厚可降至纳米，成为纳米调幅结构。,TiN/NbN多层,5nm,53,学习园地,CrTiAlN 镀程序,Substrate,高速钢基体1200 目抛光,Cr bond layer,0.2 m Cr底层,Graded layer,0.3 m CrTiAlN梯度层,4 m CrTiAlN多层,其中 10nm 15nm, CrN层 6.0nm,54,学习园地,A. Matthews, University of Hull, U.K.,Fracture T

13、oughnes of a single- and multi- layer,Multilayers with a modulation of elastic moduli hinder the cracks propagation,55,学习园地,65%Ti，35%Al的TiAlN和WC形成 调幅结构，波长为10-20nm,在TiN的底层上 沉积TiAlN/WC 白色为TiAlN 黑色WC,56,学习园地,Renucleation at the incoherent interface,57,学习园地,TiN+AlTiN和CrN+TiN调幅周期与硬度理论曲线,58,学习园地,Buffer layer decreases residual stress,59,学习园地,Buffer thickness on scratch results,60,学习园地,摩擦系数和层数关系 多层的摩擦模型,61,学习园地,Surface and Coatings Technology 163 .164 (2003) 571.577 Cr+CrN层薄，磨损量低,62,学习园地,Mono,Multi,63,学习园地,纳米晶超硬膜,64,学习园地,纳米复合超硬膜结构示意图,纳米晶与非晶结构,65,学习园地,纳米