Влияние напряжения смещения на микроструктуру и механические свойства нанокомпозитных покрытий AlCrN / TiSiN

Лян Сяобяо, Чэнь Яфэнь, Чжан Цзяцюань

Guangdong Huasheng Nanotechnology Co., Ltd.

Аннотация: Многослойная композитная пленка AlCrN / TiSiN с функциональным слоем с напряжением 40 В, 80 В, 120 В и 150 В изготовлена по технологии AIP+HiPiMS. Капли на поверхности наблюдаются с помощью SEM, измеряются твердость покрытия, адгезия покрытия и напряжение, а также проводятся испытания на резку, чтобы изучить влияние изменений напряжения функционального слоя на характеристики покрытия. Установлено, что с увеличением напряжения смещения функционального слоя количество капель сначала уменьшается, а затем увеличивается, а твердость и адгезия сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Твердость и адгезия достигают максимальных значений при 120 В, достигая 34,6 ГПа и 117,5 Н соответственно. Внутреннее напряжение увеличивается с увеличением смещения подложки функционального слоя. Результаты испытаний на резку показывают, что максимальный срок службы составляет 8 часов при смещении функционального слоя 120 В.

Ключевые слова: функциональный слой; поверхностные капли; нанотвердость; адгезия; режущие характеристики

1 Введение

Твердое покрытие может эффективно препятствовать диффузии элементов между инструментами и режущими материалами и продлевать срок службы обрабатывающих инструментов [1,2]. Покрытие CrN обладает превосходной коррозионной стойкостью и износостойкостью, а его внутреннее напряжение очень низкое, но его термическая стабильность ухудшается при температуре выше 650 °C [3]. После введения атомов Al в CrN и замены части элементов Cr, элементы Al и Cr образуют плотные пленки Al2O3 и Cr2O3 при высокой температуре, что эффективно предотвращает диффузию элементов O в покрытие, а стойкость покрытия к окислению увеличивается с увеличением содержания элемента Al [4,5]. Однако при температуре выше 900 ℃ в покрытии AlCrN выпадает хрупкий w-AlN [6], что ухудшает характеристики покрытия, особенно при высокоскоростной сухой резке. Температура в зоне контакта между инструментом и стружкой может достигать 1000 ℃, что ухудшает режущие характеристики инструмента и затрудняет удовлетворение потребностей современной резки.

Некоторые исследования показывают [7,8], что добавление Si в покрытие AlCrN может значительно улучшить стойкость покрытия к окислению, и в то же время в покрытии образуется аморфная нанокристаллическая структура с покрытием SiNx, которая уменьшает размер зерен и улучшает прочность и вязкость покрытия. Parlinska-Wojtan M.et al.[9] добавили элемент Si в TiAlN для получения покрытия TiAlSiN. С добавлением Al+Si твердость покрытия достигает 41 ГПа, что выше, чем у покрытия TiAlN. Hsien-Wei Chen et al.[10] обнаружили, что добавление Si в покрытие AlCrN приводит к утончению зерен покрытия и улучшению стойкости к окислению. Было доказано, что многослойная структура является эффективным методом улучшения характеристик покрытия [10,11]. Прочная граница раздела между слоями может препятствовать движению дислокаций в покрытии, сдерживать рост столбчатых кристаллов и препятствовать распространению трещин, тем самым улучшая термическую стабильность, твердость после высокотемпературной обработки и стойкость к высокотемпературному окислению покрытия. Многослойное покрытие AlCrN/TiSiN сочетает в себе превосходную стойкость к окислению покрытия AlCrN и сверхтвердые характеристики покрытия TiSiN и имеет широкие перспективы развития [12,11].

В процессе подготовки ионы высокой плотности и нейтральные частицы осаждаются на поверхности подложки под действием смещения подложки, но в процессе осаждения AIP неизбежно возникает явление образования крупных капель частиц. Однако магнетронное распыление позволяет получить хорошее качество поверхности в процессе осаждения, но скорость ионизации и скорость осаждения низкие, поэтому относительно превосходные покрытия можно получить, комбинируя AIP и магнетронное распыление. Однако разное напряжение смещения приводит к значительным изменениям энергии плазмы, что влияет на морфологию поверхности, микроструктуру и механические свойства покрытия. Поэтому, основываясь на получении многослойных покрытий AlCrN/TiSiN с использованием технологии дугового ионного напыления (AIP) и высокомощного импульсного магнетронного распыления (HiPiMS), в данной статье регулируется отрицательное смещение функционального слоя, чтобы изучить влияние изменений отрицательного смещения функционального слоя на микроструктуру, состав покрытия и механические свойства многослойного AlCrN/TiSiN.

2 Экспериментальное оборудование и схема

Использовалось вакуумное оборудование для напыления HA800 с магнетронным распылением и AIP компании Guangdong Huasheng Nanotechnology Co.,Ltd. Напыление PVD осуществлялось с помощью шести круглых катодных дуговых мишеней и двух квадратных магнетронных мишеней. Диаметр круглой мишени составлял 160 мм, атомное соотношение Al/Cr было 70/30, размер квадратной мишени составлял 500 мм × 100 мм × 10 мм, а атомное соотношение Ti/Si было 80/20. Для анализа и испытаний использовались отполированные квадратные образцы из цементированного карбида, образцы из нержавеющей стали и лезвие из цементированного карбида APMT1135PDER, а к подложке прикладывались четыре различных отрицательных напряжения смещения (40 В, 80 В, 120 В, 150 В).

Процесс подготовки покрытия включает в себя нагрев тепловым излучением, плазменное травление, нанесение покрытия и охлаждение. При плазменном травлении используется ионизированный аргоном ион Ar+ для травления путем подачи напряжения -200 В на подложку, а плазменное травление очищает в течение примерно 45 минут. Процесс нанесения покрытия: нижний слой представляет собой покрытие AlCrN толщиной около 0,4 мкм, подготовленное с помощью AIP, а напряжение смещения является фиксированным; Функциональный слой представляет собой 0,14 мкм AlCrN и 0,13 мкм TiSiN, нанесенные поочередно 6 раз, а поверхностный слой представляет собой покрытие TiSiN. AlCrN наносился в смешанной атмосфере азота и аргона, давление в камере поддерживалось на уровне 2,8 Па, а ток мишени составлял около 190 А; TiSiN было подготовлено с помощью технологии HiPiMS с фиксированным смещением, мощностью около 8 кВт, рабочим циклом около 28 %, давлением в полости около 0,6 Па и соотношением Ar:N2 около 3:1, при этом смещение покрытия AlCrN в функциональном слое составляло соответственно 40 В, 80 В, 120 В и 150 В. Температура покрытия поддерживалась на уровне 500 °C, а общая толщина покрытия составляла около 2,2 мкм.

Для анализа микроструктуры образца с покрытием использовался сканирующий электронный микроскоп Zeiss FESEM Sigma300 с полевой эмиссией, с помощью которого были определены структура, морфология поверхности и толщина покрытия. Для измерения твердости покрытия использовался наноиндентор Anton Paar NHT3. Применялась нагрузка 20 мН, скорость нагружения составляла 40 мН/мин, нагрузка удерживалась в течение 10 с. Глубина вдавливания была менее 1/10 толщины покрытия, и было собрано достаточное количество данных путем выбора матрицы. Для измерения адгезии между покрытием и подложкой из цементированного карбида использовался нано-царапающий тестер Anton Paar NST3, была установлена конечная нагрузка 120 Н, длина царапины составляла 3 мм, время царапания — 30 с, и каждое покрытие повторялось три раза. С помощью измерителя напряжения пленки SuPro FST1000, основанного на принципе метода изгиба подложки и уравнении Стоуни, было проверено остаточное напряжение пленки подложки из нержавеющей стали, и была проведена сравнительная оценка тенденции изменения остаточного напряжения в различных схемах с использованием относительных значений.

Используя фрезерные пластины APMT1135PDER для испытаний на резку, сталь 45 была разрезана на фрезерном станке с ЧПУ K-V855GCNC компании Nuojin Machinery с использованием параметров обработки, широко применяемых в отрасли. Используя цифровую микроскопическую систему Keyence VHX-7000 для фиксации состояния износа во время процесса резки, характеристики покрытия оцениваются путем сравнения степени износа на задней поверхности фрезы. Стандартом для оценки срока службы фрезерной пластины является износ боковой поверхности до 300 мкм.

3 Результаты экспериментов и обсуждение

3.1 Влияние отрицательного смещения функционального слоя на морфологию поверхности и размер поперечного сечения покрытия

Как показано на рисунке 1, изменение отрицательного смещения функционального слоя приводит к изменению капель функционального слоя, и последующее осаждение на поверхности будет показывать те же результаты капель функционального слоя. Можно видеть, что с увеличением смещения количество капель на поверхности покрытия сначала уменьшается, а затем увеличивается. Когда отрицательное смещение функционального слоя составляет 40 В, количество и размер капель велики; когда отрицательное смещение функционального слоя увеличивается до 80 В и 120 В, количество капель на поверхности покрытия уменьшается, что связано с тем, что отрицательное смещение подложки ускоряет положительные ионы в плазме, а энергия, получаемая в результате ускорения, увеличивается с увеличением отрицательного смещения [14]. Энергичные частицы бомбардируют покрытие с большей силой, и капли на поверхности функционального слоя уменьшаются, что проявляется в уменьшении капель покрытия в последующем процессе осаждения поверхностного покрытия. Когда отрицательное напряжение смещения подложки продолжает увеличиваться до 150 В, энергия ионной бомбардировки становится сильной, что приводит к обратному распылению покрытия и даже к образованию отверстий на поверхности функционального слоя покрытия. При последующем осаждении покрытия больше капель останется в отверстиях.

Рис. 1. Морфология капель на поверхности покрытия при отрицательном смещении различных функциональных слоев

На рисунке 2 показана морфология поперечного сечения и статистика толщины покрытия различных функциональных слоев при отрицательном смещении. Видно, что с увеличением отрицательного напряжения смещения функционального слоя толщина поперечного сечения постепенно уменьшается с 2,303 мкм при 40 В до 2,021 мкм при 150 В. Основная причина заключается в том, что с увеличением отрицательного напряжения смещения функционального слоя структура функционального слоя покрытия становится более плотной, что приводит к уменьшению толщины покрытия, особенно при 150 В, усиливается антирассеивающая способность, что еще больше уменьшает толщину покрытия в поперечном сечении.

Рис. 2. Влияние отрицательного напряжения смещения различных функциональных слоев на толщину поперечного сечения покрытия.

3.2 Влияние отрицательного смещения функционального слоя на внутреннее напряжение и твердость покрытия

На рис. 3а показано изменение кривой внутреннего напряжения покрытия при отрицательном смещении различных функциональных слоев. Видно, что напряжение покрытия является сжимающим, и внутреннее напряжение покрытия постепенно увеличивается с увеличением смещения: с 40 В (2,23 ГПа) до 150 В (4,35 ГПа).

(a) Влияние отрицательного смещения на напряжение покрытия

(b) Влияние отрицательного смещения на твердость покрытия

Рис. 3. Влияние отрицательного смещения различных функциональных слоев на остаточное напряжение и твердость покрытия.

На рис. 3b показано изменение твердости покрытия при отрицательном смещении различных функциональных слоев. Когда отрицательное смещение функционального слоя составляет 40 В, твердость по методу наноиндентирования составляет 33,2 ГПа, а когда отрицательное смещение функционального слоя увеличивается до 80 В, твердость по методу наноиндентирования увеличивается до 34,2 ГПа. Когда отрицательное напряжение смещения функционального слоя продолжает увеличиваться до 120 В и 150 В, твердость при наноиндентировании составляет 34,6 ГПа и 34 ГПа соответственно, и твердость сначала увеличивается, а затем уменьшается. Изменение твердости покрытия связано с отрицательным смещением функционального слоя. С увеличением отрицательного смещения функционального слоя энергия бомбардировки увеличивается во время подготовки, что приводит к изменению покрытия из столбчатого кристалла в мелкозернистую структуру. В то же время остаточное сжимающее напряжение препятствует скольжению границ зерен столбчатого кристалла и улучшает сопротивление деформации покрытия. Таким образом, при увеличении отрицательного смещения функционального слоя с 40 В до 120 В твердость при наноиндентировании увеличивается, но при дальнейшем увеличении отрицательного смещения функционального слоя до 150 В кристаллическая структура покрытия разрушается, а обратное распыление усиливается.

3.3 Влияние отрицательного смещения различных функциональных слоев на адгезию покрытия

На рис. 4 показана адгезия покрытия при отрицательном смещении различных функциональных слоев, а адгезия покрытия Lc1 оценивается на основе матрицы, где покрытие начинает появляться. Lc1 при 40 В, 80 В, 120 В и 150 В составляет 98,95 Н, 109,8 Н, 117,5 Н и 93 Н. Можно видеть, что с увеличением отрицательного смещения функционального слоя от 40 В до 120 В напряжение и твердость покрытия увеличиваются, а сила сцепления покрытия также увеличивается. Когда напряжение смещения продолжает увеличиваться до 150 В, внутреннее напряжение становится выше, что приводит к большей хрупкости покрытия и снижению силы сцепления.

Рис. 4. Влияние отрицательного смещения различных функциональных слоев на адгезию покрытия.

3.4    Влияние отрицательного смещения различных функциональных слоев на режущие характеристики

Условия испытания резания: линейная скорость Vc = 117,5 м/мин, подача fz = 0,57 мм/об, глубина резания ap = 0,3 мм, охлаждение воздухом. На рисунке 5 показана зависимость между сроком службы режущего инструмента и износом боковой поверхности.

Рис. 5. Сравнение износа различных функциональных слоев при отрицательном смещении в различных условиях режущего ресурса.

Когда отрицательное смещение функционального слоя 40 В обрабатывалось в течение 5 часов, износ боковой поверхности достиг 0,41 мм и произошел отказ, в то время как при отрицательном смещении функционального слоя 40 В износ достиг 0,36 мм и произошел отказ через 6 часов, а при отрицательном смещении функционального слоя 120 В, обрабатываемом в течение 8 часов, износ задней режущей поверхности составил 0,33 мм. При напряжении смещения 150 В и режущем инструменте 0,33 мм режущий инструмент вышел из строя через 6 часов, а износ боковой поверхности составил 0,36 мм. Тенденция выхода режущего инструмента из строя соответствует тенденции изменения твердости покрытия, а отрицательное напряжение смещения функционального слоя составляет 120 В, что демонстрирует наилучшую износостойкость.

На рис. 6 показано сравнение моделей износа инструмента при времени обработки 5 часов. Видно, что при отрицательном смещении функционального слоя на 40 В покрытие отслоилось на режущей кромке из-за его низкой твердости и напряжения, а режущая кромка инструмента разрушилась, поскольку матрица участвует в резке после отслоения покрытия. Увеличение отрицательного напряжения смещения функционального слоя до 80 В повышает износостойкость покрытия, и значительного отслоения покрытия не происходит, но ширина зоны износа увеличивается примерно до 0,18 мм. Когда отрицательное напряжение смещения функционального слоя продолжает увеличиваться до 120 В, адгезия и твердость покрытия улучшаются, износостойкость инструмента заметно повышается, а ширина зоны износа заметно уменьшается, примерно до 0,14 мм; Однако, когда отрицательное смещение функционального слоя увеличивается до 150 В, отрицательное смещение функционального слоя приводит к снижению твердости и адгезии покрытия, а также к снижению износостойкости покрытия, и ширина 5-часовой зоны износа составляет примерно 0,18 мм.

Рис. 6. Сравнение износа инструментов, проработавших 5 часов.

4 Вывод

Композитное покрытие AlCrN/TiSiN с многослойной структурой было получено с помощью метода AIP и высокомощного импульсного магнетронного распыления. Было исследовано влияние отрицательного смещения различных функциональных слоев на поверхность, твердость, адгезию и режущие характеристики покрытия, и были сделаны следующие выводы.

(1) С увеличением отрицательного смещения функционального слоя количество капель на поверхности покрытия сначала уменьшается, а затем увеличивается, причем капель меньше всего и шероховатость наименьшая при отрицательном смещении функционального слоя 120 В;

(2) Твердость и адгезия покрытия отрицательно смещены в функциональном слое. Максимальные значения составляют 34,6 ГПа и 117,5 Н при 120 В соответственно.

(3) Напряжение отрицательного смещения подъемного функционального слоя увеличивается;

(4) При резке стали 45 лучшие режущие характеристики демонстрирует функциональный слой с отрицательным смещением 120 В, а срок службы составляет 8 часов.

Ссылки

[1] Wang Qimin, Jian Huang, CHENGYONG WANG, et al. Прогресс исследований в области нанесения покрытий методом физического осаждения из паровой фазы на высокоскоростные режущие инструменты [J]. Технологии авиационного производства, 2013 (14): 78-83.

[2] Zha Xuming, Wang Tianxiang, Chen Fengbiao, et al. Исследование усталостного поведения и механизмов износа двухслойных микроструктурных и многослойных наноструктурных покрытий на инструментах из цементированного карбида при фрезеровании титанового сплава [J]. Международный журнал по тугоплавким металлам и твердым материалам, 2022, 103: 105738.

[3] Mayrhofer P H, Tischler G, Mitterer C. Микроструктура и механические/термические свойства Cr-N-покрытий, нанесенных методом реактивного несимметричного магнетронного распыления [J]. Surface ＆ Coatings Technology, 2001, 142-144: 78-84.

[4] Feng Yuping, Zhang Li, Ke Rongxian, et al. Термическая стабильность и окислительные свойства покрытий AlTiN, AlCrN и AlCrSiWN [J]. Международный журнал по тугоплавким металлам и твердым материалам, 2014, 43: 241-249.

[5] Томас Полькар, Альбано Кавалейро. Высокотемпературные свойства покрытий CrAlN, CrAlSiN и AlCrSiN — структура и окисление [J]. Химия и физика материалов, 2011, 129( 1) : 195-201.

[6] Ямамото К., Сато Т., Такахара К. и др. Свойства покрытий (Ti,Cr,Al)N с высоким содержанием Al, нанесенных с помощью нового плазменного дугового катода [J]. Технология поверхностей и покрытий, 2003, 174: 620-626.

[7] Ravi N, Markandeya R, Joshi S V. Поведение при разрушении нанокомпозитного покрытия nc-TiAlN / a-Si3 N4 во время испытания на наноудар [J]. Surface Engineering, 2017, 33( 4) : 1-10．

[8] Cheong J Y, Ding X Z, Tay B K, et al. Тепловая стабильность и стойкость к окислению наноструктурных покрытий CrAlSiN, нанесенных с помощью бокового вращающегося катодного дугового распыления [J]. Key Engineering Materials, 2010, 447-448: 725-729.

[9] Parlinska-Wojtan M,Karimi A,Cselle T,et al.Исследование микроструктуры тонких пленок TiAlSiN с градиентным составом с помощью обычного и высокоразрешающего просвечивающего электронного микроскопа [J] .Surface and Coatings Technology,2004,177: 376-381.

[10] Hsien-Wei Chen, Yu-Chen Chan, Jyh-Wei Lee, et al. Окислительная стойкость нанокомпозита CrAlSiN при длительной термообработке [J]. Surface ＆ Coatings Technology, 2011, 206( 7) : 1571-1576.

[11] Ziebert C,Ulrich S. Твердые многослойные покрытия, содержащие TiN и/или ZrN: обзор и последние достижения в области их наноразмерной характеристики [J]. Журнал вакуумной науки и технологии A, 2006, 24( 3) : 554-583.