第八章 硬质膜

硬质膜HSS <1000 -常见薄膜和基体材料的硬度比较不同类型硬质镀层材料比较还可合成多元氮化物如Zr-Ni-N硬度可达50GPa多元膜可提高硬度Balzers1980FirstSuccessfulApplications

TiNoncuttingtools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。新镀层磨刃后未镀磨刃后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。TiN和TiCN镀层的比较TiCN比TiN硬但较脆TiN加入C形成多元膜TiCNTiAlN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。TiAlN硬度随Ti和Al相对量变化加Al后，TiN由25GPa增至TiAlN40GPa硬度杨氏模量不同方法获得TiAlN硬度值不同，此处Al加入后，由TiN的HV2000增至3000。Ti-Si-N镀层硬度与Si含量的关系TiN加入Si形成多元膜TiSiNTiN Ti-Si-N(12%)TiN加入Si后柱状晶消失Ti-Si-NDiffractionpatterofTiNOptimizedatalevelofgrainsizeTiAlSiNoptimizedatTi50%,Si6%调配成分当Ti50%,Si6%时TiSiN可获得最高硬度，达到43GPa。Si的加入有利于高温硬度。溅射TiB2靶沉积TiBN膜元素含量对TiAlBN薄膜性能的影响TiN、TiC加入B形成多元膜TiBN、TiBCTiN中加Cr可稳定提高硬度TiN中加入Cr形成多元膜TiCrNCrN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TiN低，色泽也不如TiN。SurfaceandCoatingsTechnology86687(1996)184-191DevelopmentofchromiumnitridecoatingssubstitutingtitaniumnitrideGiinterBerg*,Ti2N不出现而有Cr2NCrN沉积速率高4倍氮越高，沉积速率越慢CrN比TiN氮高3倍N含量增加时由Cr转为Cr2N，CrNCrN和TiN的硬度大体相当Cr2N获得窗口小，分散度也小N含量增加时结晶状态的改变柱状晶特征有淡化趋势硬度受晶粒度影响应该服从Hall-petch关系早期弧镀比较TiN和CrN硬度磨损TiNCrNTiNCrN纳米CrN+TiN和CrN,TiN硬度和热稳定性比较CrN和Cu间摩擦系数低有特殊优越性对铜CrN和TiN显示很大差别TiN的耐磨性不如工具钢钢钢CrNCrNTiNTiNTiN、TiCN、CrN和WC/C镀层的性能比较Cr9Al1NCr3Al1N高铝有助抗氧化外径95mm推力轴承和GCr15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。Wear253(2002)WearresistanceofPVD-coatingsinrollerbearingsAachen

GCr15钢不同镀层磨损GCr15的原始水平Cr加入TiAlN明显地增加抗氧化性CrTiAlN和TiAlN有相似的结合强度CrTiAlN和TiAlN的比较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TiAlNTiAlCrNCr50%干钻灰铁CrTiAlN比TiAlN好CrTiAlN，CrN，TiAlN的压入试验洛氏硬度150公斤CrNCrTiAlNTiAlNTeerUDP获得结果CrTiAlN性能硬度：>30GPa结合力：>60N5mmWC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CrTiAlNWorkpieceMaterial:PlainCarbonSteel(EN9)~190HVTool:TungstenCarbideDrills(6.4mmØ)Coating NumberofHolesCrTiAlN 328Uncoated 73185rpm(64m/min)&0.30mm/revlubricated:7.5%oilconcentratedwaterbasedcoolantHoles:Through(19mmdeep)DrillingPerformanceCrTiAlNWorkpieceMaterial:AlloySteelEN24~363HV Tool:HighSpeedSteel(1/4”Ødrills)

Holes:Through(12.6mmdeep)2440rpm(48.7m/min)&0.11mm/rev&268mm/minlubrication:7.5%oilconcentratedwaterbasedcoolantCoating NumberofHolesCrTiAlN 232Uncoated 0DrillingPerformanceCrAlTiNCr/Ti在相当宽范围内稳定的硬度、结合力

PoD,5mmWC/Coball,200mms-1CrTiAlNCr/Ti在相当宽范围内稳定摩擦磨损性能

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

Feed:945mm/minConditions:Throughhole,20mmCoolant:CimstarMB603,5%,DrilltestSamplesOnefoldTwofoldThreefoldCrAlTiCrCoatingDeposition-CFUMSIP-1Ti,1Al,2Cr-Ar-N2OEMcontrolloopDepositionProcessCrTiAlN多层膜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5nmCrTiAlN镀程序CrNCrTiAlNSubstrate高速钢基体1200目抛光Crbondlayer0.2µmCr底层Gradedlayer0.3µmCrTiAlN梯度层Nanolayers4µmCrTiAlN多层,其中10nm<<15nm,CrN层~6.0nm25nmQuelle:A:Matthews,UniversityofHull,UKA.Matthews,UniversityofHull,U.K.FractureToughnesofasingle-andmulti-layerMultilayerswithamodulationofelasticmodulihinderthecrackspropagation65%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WCRenucleationattheincoherentinterfaceTiN+AlTiN和CrN+TiN调幅周期与硬度理论曲线BufferlayerdecreasesresidualstressBufferthicknessonscratchresults摩擦系数和层数关系多层的摩擦模型SurfaceandCoatingsTechnology163.164(2003)571.577Cr+CrN层薄，磨损量低MonoMulti纳米晶超硬膜纳米复合超硬膜结构示意图纳米晶与非晶结构纳米复合TiN晶粒尺寸与硬度关系Ti-Cu-N多元膜中Cu%与硬度关系由于形成纳米复合结构，软金属加入也可提高硬质膜硬度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: