Struktur og egenskaber af TiCN-tynde film fremstillet af grafitmål og titanmål-co-sputtering

Struktur og egenskaber af TiCN tynde film fremstillet ved grafit mål og titan mål co-sputtering

TiCN tynde film blev fremstillet på M2 højhastighedstalsubstrat ved sputtering af grafitmål og titanmål i en blandet atmosfære af nitrogen og argon. Mikrostrukturen og strukturen af TiCN-tyndfilm blev analyseret ved scanningelektronmikroskop og røntgendiffraktometer. Hårdheden af TiCN tynde film blev testet ved hjælp af nano-indentationsinstrument. I mellemtiden blev kombinationen af TiCN tyndfilm og matrix evalueret ved indrykningsmetode og ridsemetode. Resultaterne viser, at C-atomer i TiCN tynde film eksisterer i form af fast opløsning i TiN gitter, orienteringen af TiCN tynd film på (111 ) krystaloverfladen er tydeligvis svagere end den af TiN tynde film, er bruddet af TiCN tynde film en lang blokstruktur, dens tværgående størrelse er mindre end den af TiN tynde film, og overfladen af TiCN tynde film er konkav og konveks. Bindningskraften mellem TiCN-tyndfilm og matrix er ca. 40N, og C-atom har virkning af fast opløsningsstyrkning og fin krystalstyrkning i TiCN-tyndfilm. Hårdheden af TiCN tynde film stiger fra 20,3 TiN film til 33,4GPa. TiCN film har god antifriktion ydeevne, og levetiden for TiCN filmhaner forbedres væsentligt, når man tipper 40Cr materiale end TiN filmkraner og ubelagte taps.

Den hurtige udvikling af moderne skære teknologi har fremhævet højere krav til skæreværktøjets materiale og egenskaber. En af de mulige måder at forbedre værktøjets ydeevne på er at indsætte hardfilm på værktøjsoverfladen . TiN-, TiC-, TiCN- og TiAlN-hardfilm er det tidlige udseende af flere værktøjsoverfladebeskyttelseslag, anvendes stadig meget inden for mekanisk beskyttelsesfilm. TiCN tynde film anvendes i vid udstrækning i skæreværktøjer, forme og slidbestandige dele på grund af deres høje hårdhed og lave friktionskoefficient. TiCN tynde film fremstilles hovedsageligt ved dampafsætning, herunder kemisk dampaflejring (CVD) og fysisk dampaflejring (PVD). CVD-proces af tyndfilm fremstillet ved ovntemperaturen over 850 ° C, sædvanligvis selv medietemperatur kemisk dampaflejringsteknik (MT-CVD), dens arbejdstemperatur er ca. 600 ° C, den generelle ud over stålstøbeformen og dele af tempereringstemperaturen, så Metoden er ikke egnet til belægning på stålunderlaget. PVD af tynd film fremstillet af arbejdstemperaturen under 500 ° C, kan tilfredsstille kravet til stål substratbelægningen.

I øjeblikket bruger de fleste af PVD-metoderne CH4 eller C2H2 som C-kilde til fremstilling af TiCN-tynde film. Under fremstillingsprocessen kan TiCN tynde film med forskellige elementindhold og forskellige egenskaber opnås ved at justere gasstrømforholdet. Problemet med denne metode er imidlertid, at overdreven kulstofkildegas vil forårsage alvorlig forurening til belægningens indre struktur maskinens ovnkrop og det resterende kulstofløse lag i ovnvæggen frigives i den næste coating, der forstyrrer filmens aflejringsatmosfære, hvilket ikke bevirker kontinuerlig produktion og ofte fører til den ustabile ydeevne af filmemnet i industriel produktion.

Brug af fast C-kilde til fremstilling af TiCN-film kan i høj grad reducere eller undgå forureningen af ovnkroppen. Reaktiv magnetron sputtering er en af de vigtigste teknologier i PVD-metoden. Belægningsoverfladen fremstillet ved denne fremgangsmåde har ikke stor partikelfænomen, men har god overfladekvalitet og kan anvendes til fremstilling af TiCN tynde film på stålmatrix. Guojun Zhang et al. fremstillede TiCN-film under den blandede atmosfære af nitrogen og argon ved sputtering af grafitmål og titanmål. De anførte, at med den øgede sputteringskraft og aflejringseffektivitet af grafitmål steg den samlede tykkelse og modulationscyklus for filmene opnået inden for samme tid. Med forøgelsen af sputtering-målkraft ændrede strukturen af TiCN-tyndfilm, og krystalplanretningen (111) og (220) blev gradvist svækket. Hårdheden af TiCN-tyndfilmen steg først og faldt derefter, og den høje hårdhed af z * nåede mere end 40GPa. Friktionskoefficienten af TiCN-tyndfilm faldt med forøgelsen af sputteringskraften af grafitmål, og z * forblev omkring 0,2.Xu junhua et al. forberedt TiCN tynde film med fast carbon kilde ved magnetron sputtering teknologi. Indflydelsen af grafitsputtering målstyrke opnået i dette studie på strukturen og hårdheden af TiCN tynde film var stort set i overensstemmelse med grafitsputteringstrømmen. Men vakuumteknologienetværket (http://www.chvacuum.com/) mener, at ingen af de ovennævnte forskningsrapporter har påvist sammensætningen af TiCN tynde film. Det er ikke klart om kulstofindholdet i TiCN tynde film fremstillet ved anvendelse af faste carbonkilder, og bindingsstyrken mellem TiCN tynde film og matrix er ikke blevet analyseret.

I dette papir ANVENDES forskning og udvikling af sichuan university RZP - 800 medium frekvens reaktiv magnetron sputtering belægningsmaskine ved hjælp af grafit mål som carbon kilde i stedet for CH4 eller C2H2 i en blanding af nitrogen og argon atmosfære gennem fremstilling TiCN film sputtering af grafit mål og titanmål, og fremstillingsmetoden til opnåelse af TiCN-filmkompositionen, struktur, hårdhed og bindingsstyrke analyseres, og undersøgelsen undersøges samtidig med fremgangsmåden ved praktisk anvendelse af afsættende TiCN-film på overfladen af højhastighedstål trykke.

1. Eksperimentelle metoder

1.1 materialer og film forberedelse teknologi

Udvælgelse af M2 højhastighedstål som substratmateriale, stikprøvestørrelsen er 6 mm x 10 mm x 6 mm og tilbereder det samme stof Φ 10 mm spec tap nummer, der anvendes til skæringstest. Sputteringmål var et par titanmål (renhed 99,99%) og et par grafitmål (renhed 99,99%), og de to mål (4 mål) blev anbragt skiftevis og ensartet på belægningsvæggen. Før overfladen af overfladen af prøven blev poleret for at fjerne makroskopiske ridser synlige for det blotte øje og poleret til spejloverfladen. Derefter blev springen og prøven sandblæst sammen for at fjerne forureningen i det overfladiske lag. Efter ultralydsrensning blev prøven blæsetørret og fyldt i ovnen. Vaccuum til 9,0 10-3 Pa, forvarmer arbejdsemnet i 60 minutter og derefter anvendt effekten af argonionbombardement til at ætse og rense substratet i 30 minutter under negativ forspænding For at forbedre bindingsstyrken mellem filmen og matricen deponerer Ti metalblokke i den fordampende smeltedigel et lag af Ti-metalovergangslag på matrixen. Efter z * ved et tryk på 4,5 10-1 Pa sputteres grafit mål- og titanmål blev anvendt til fremstilling af TiCN-tynde film i 3 timer. Belægningen blev afkølet i 1 time, og prøverne blev taget ud .

1.2 struktur og ydeevne karakterisering af tynde film

Frakturstrukturen og overflademorfologi af TiCN tyndfilm blev observeret ved s-4800 (Hitachi, Japan) SEM, og elementets indhold af filmen blev analyseret af EDS.X 'Pert Pro (Philips, Holland) røntgendiffraktion (XRD ) blev brugt til at analysere fasesammensætning og kornstørrelse af belægningen. Nano Indenter XP testsystem (Agilent, Amerika) blev brugt til at analysere hårdheds- og elastikmodulet af belægningen. I mellemtiden blev indrykningsmetode og ridsemetode anvendt til at evaluere bindingsstyrke mellem filmen og matrixen. Hr-150a rockwell hardness tester blev brugt til indrykningsmetode, og belastningen var 150kg. Skrabelmetoden vedtager hh-3000 scratch testeren, og belastningen er 100N. Z5135 lodret boremaskine blev brugt til skæring af tapen. Spindelhastigheden af boremaskinen var 530r / min, tappematerialet var 40Cr quenchet og hærdet stål, og hardheden af quenched og tempereret var HRC29 ~ 32.

2, konklusionen

Ved anvendelse af fast carbonkilde blev grafitmålet og titanmålet co-sputteret ved hjælp af reaktiv magnetron-sputteringsteknologi til fremstilling af TiCN-tynde film på højhastighedstalsubstrat. Strukturen og egenskaberne af de opnåede TiCN tynde film blev systematisk analyseret, og konklusionerne var som følger:

(1) bruddet af TiCN tynde film fremlagde en lang blokstruktur vokser vinkelret på grænsefladen. Den konkave konvekse struktur på overfladen af TiCN tynd film var svagere end den af TiN tynde film, medens der var flere mikropartikler på overfladen af TiCN tynd film. TiCN tynd film danner en fast opløsning baseret på TiN. Tilsætningen af C-atom reducerer signifikant diffraktionstoppen af den tynde film på (111) krystaloverfladen.

(2) på grund af den faste opløsningsstyrkning og finkrystalforstærkning af C-atom blev hårdheden af TiCN-film signifikant forbedret sammenlignet med TiN-film, og hårdheden af TiCN-film var 33,4GPa. Efter at Ti-overgangslaget blev brugt som substrat, var bindingsstyrken mellem TiCN-film og TiN-film og M2 højhastighedstalsubstrat ikke signifikant forskellig, hvoraf begge var ca. 40N.

(3) slidformen af TiCN-film er hovedsageligt slibende slid, som danner en carbonoverføringsfilm på overfladen af filmen under friktion og slid. Filmen spiller en rolle med solid smøring og anti-friktion. Livslængden af TiCN-filmhaner forbedres væsentligt, når der tappes 40Cr materiale, hvilket er 3 gange højere end det for ikke-filmkraner og 1,6 gange højere end henholdsvis TiN-filmhaner.

IKS PVD, sputtering belægningsmaskine, kontakt: iks.pvd@foxmail.com