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硬质合金高温化学气相沉积TiN涂层工艺及性能研究

周磊  
【摘要】:化学气相沉积法是一种重要的表面处理技术,已经被广泛应用于工具行业,以改善切削刀具、钻头等切削服役性能和寿命。由于硬质合金有良好的导热性,且在高温下不易受到损伤,因此适宜用化学气相沉积法进行涂层处理。 本论文研究了用高温化学气相沉积法在YG6硬质合金表面制备TiN硬质涂层的技术工艺,并结合正交试验设计方案得出较优的工艺参数。利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射、X光电子能谱、显微硬度仪、强度测试仪和划痕仪对各工艺制得的TiN涂层主要性能和成分结构进行了综合分析。 XRD图谱分析表明,除TiN相和WC基体相外,还存在TiC_xN_y相,以及W_6Co_6C脱碳相,多种Ti的氧化物相。说明在高温化学气相沉积TiN过程中,发生了其他复杂的副反应,这些反应改变了TiN涂层的化学组成和显微组织,对涂层性能造成了一定影响。通过比对XRD图谱上各晶面衍射峰的强度,并结合晶体学计算发现,不同于PVD-TiN涂层的(111)晶面择优取向,CVD-TiN涂层明显沿着(220)晶面择优生长。 XPS分析中发现的TiO2和N-O、C-O键进一步验证了XRD的测试结果:在管壁及气路中生成的杂质钛氧化物不可避免地被气流带入沉积区,附着在TiN涂层表面,高温下钛氧化物分解出O,O原子在最表层与N、C原子发生了键合;基体中的C原子获得能量越过界面进入了TiN涂层中。因此,微氧化和碳扩散现象致使最表层的Ti、N元素含量低于C、O元素含量。 从显微金相和扫面电镜的微观形貌观察,涂层组织为柱状晶,表面粗糙且不平整,计算所得的堆积因子仅为70%左右,致密度较低,涂层结构间隙较大。因此,显微硬度低于报道中的TiN涂层硬度,平均仅为1613HV,但结合力多能达到50N,最高能到70N。 抗弯强度经高温化学气相沉积处理后下降极为明显,降幅约为30%-40%。比对各项性能结果,5号试样的显微硬度为2457HV,为其中最高;9号工艺制得的涂层结合力达到70N;而1号试样抗弯强度仅降低了23.4%。 经过正交分析后,发现温度和保温时间对涂层综合性能影响较大:长时间的高温下保温,越易造成严重的脱碳,使涂层硬度变小,抗弯强度急剧下降。


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