硬质合金表面TiAlZrCr/(Ti,Al,Zr,Cr)N梯度膜的微结构与力学性能

　　采用多弧离子镀技术, 使用Ti-Al-Zr合金靶和Cr 单质靶, 在WC- 8%CO 硬质合金基体上制备了TiAlZrCr/ ( Ti, Al, Zr,Cr) N 多组元梯度膜。分析了梯度膜的成分、结构和微观组织, 并研究了梯度膜的显微硬度和膜/ 基结合力。研究结果表明, 该多组元梯度膜为B1-NaCl 型的TiN 面心立方结构; 薄膜的成分是以TiAlZrCr 合金为过渡层的( Ti, Al, Zr, Cr ) N 梯度膜; 薄膜的组织致密均匀, 是典型的柱状晶结构; 沉积偏压为- 50~ - 200 V 时, 梯度膜均可获得比( Ti, Al, Zr, Cr) N 单层膜更高的硬度( 最高值为HV4000) 和膜/ 基结合力( 临界载荷大于200 N) 。

　　多弧离子镀技术是制备硬质薄膜的一种主要方法, 它具有离化率高、沉积温度低、成膜速率快、结合力强和工艺参数易于调节等优点。在硬质合金刀具表面沉积TiN 等硬质膜, 可提高刀具的硬度和耐磨性, 从而提高刀具的切削性能和使用寿命。但随着加工设备使用效率的提高, 高速切削已成为机械加工的主流, TiN 薄膜刀具难以满足其使用需求。于是, 研究者在此基础上进行了薄膜的成分合金化和构成形式梯度化等复合形式, 以提高薄膜刀具的综合性能和使用寿命。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过调研发现目前研究表明，(Ti, Al) N二元单层膜具有较高的硬度和抗高温氧化性能, 已经实现了产业化并成为TiN 薄膜刀具的更新换代产品。继续向(Ti, Al)N 中添加Zr 或Cr 形成的(Ti, Al, Zr) N 或( Ti,Al, Cr) N 三元单层膜具有比(Ti, Al ) N 更高的硬度、膜/ 基结合力和耐磨性能。

　　在本研究的前期工作中, 已经报道了向(Ti,Al) N中同时添加Zr 和Cr 形成的新型(Ti,Al, Zr, Cr)N 四元单层膜, 它具有良好的硬度( HV3600) 和膜/ 基结合力(200 N)。本文在其成分合金化的基础上进一步进行构成形式的梯度化, 制备了以TiAlZrCr 合金为过渡层, Ti, Al, Zr, Cr 和N 元素渐变分布的(Ti,Al, Zr, Cr)N 多组元梯度膜, 以期获取一种综合性能更加优良的硬质薄膜。

　　(1) 采用多弧离子镀技术和Ti-Al-Zr 合金靶及Cr 单质靶的组合, 在WC-8% Co 硬质合金基体上成功制备了具有TiN 型面心立方结构, 并以TiAlZrCr合金膜为过渡层,Ti, Al, Zr, Cr 和N 元素渐变分布的(Ti, Al, Zr, Cr)N 多元梯度复合薄膜。

　　(2) 沉积偏压控制在- 50~ - 200 V 时, TiAlZr-Cr/ (Ti, Al, Zr, Cr)N 梯度膜均可以得到稳定的成分,而且在获得很高硬度的同时, 均实现了膜/ 基结合力的最大化。

　　(3)TiAlZrCr/ ( Ti,Al, Zr, Cr) N 梯度膜具有比(Ti,Al, Zr, Cr)N 单层膜更高的硬度和更强的膜/ 基结合力, 最高值可分别达到HV4000 和大于200 N。