K20硬质合金表面高附着WNx纳米涂层的溅射制备与性能研究

发布时间：2020-03-28 18:32

【摘要】：“十三五规划”明确提出推动硬质合金切削材料制造向涂层刀片、精密切削工具方向发展。基于WNx涂层的优异性能,以及WNx涂层在硬质合金表面的高附着性,本文采用直流磁控溅射技术,在半精加工刀片用材K20硬质合金表面制备WNx纳米涂层,探究基体偏压、沉积温度、气体流量比三个关键工艺参数对涂层成分,显微结构及力学性能的影响。重点研究WNx涂层的摩擦磨损性能,探究涂层在不同载荷及转速下的摩擦学性能差异。研究结果表明,基体偏压对WNx纳米涂层性能影响较大,不同基体偏压下制备的WNx涂层表面均为颗粒状,表面粗糙度在基体偏压为200 V时达到最大值0.065μm,略高于空白基体粗糙度。WNx涂层主要物相均为bcc-W相,基体偏压通过影响等离子体轰击能量,影响氮元素在涂层中的存在形式。基体偏压较低时,氮元素更多以W-N化合物的形式存在,基体偏压较高时,氮元素更多以固溶或自由粒子形式存在。涂层均由细小的柱状晶组成,晶粒尺寸7~20 nm,沉积速率为1.94~2.04μm/h,基体偏压对晶粒尺寸和沉积速率影响较小。涂层制备过程中样品架旋转导致涂层横截面呈层状,层厚约为15 nm。涂层均表现为残余压应力,涂层硬度在基体偏压为-200 V时达到最大值27.07GPa。涂层膜基结合强度在95.69 N~105.94 N之间,沉积在K20硬质合金表面的WNx纳米涂层附着性能优异。WNx涂层与Si_3N_4对磨球对磨时摩擦系数低至0.3~0.4,磨损率也保持在2.26×10~(-16) m~3/N?m以下;与440C对磨球对磨时摩擦系数升至0.66~0.75,磨损率也相对提高。TEM结果表明,WNx涂层在摩擦磨损过程中会在涂层表面形成一层几十纳米厚的变形层,变形层中晶粒破碎,晶格畸变严重,氮元素逸出,导致对磨球直接与低氮,甚至无氮的变形层对磨。沉积温度通过影响等离子体能量和沉积在基体上粒子的扩散能力影响WNx纳米涂层性能。鉴于低温下(~450℃)磁控溅射技术制备WNx涂层的研究较多,在本文主要探究高温段(450℃~550℃),温度对WNx涂层性能的影响。该沉积温度范围内,温度对WNx涂层性能的影响整体来说较小。WNx涂层晶粒尺寸、残余应力和耐磨性受温度影响较明显,随着沉积温度增高,涂层晶粒尺寸增大,残余应力则随之减小。由于相组成和残余应力等因素的影响,随着沉积温度升高,WNx涂层磨损率下降,即耐磨性提高。氮氩流量比对涂层成分、相结构、硬度及摩擦学性能等都有较大影响。在氮氩流量比为40:120 sccm时得到膜基结合力最大值111.80 N。氮氩流量比为80:80 sccm时,涂层主相结构为fcc-W_2N,此时涂层硬度最小19.12 GPa。摩擦磨损实验结果表明,该气体流量比下涂层磨损轨道中心未出现明显的氮损失,同时涂层耐磨性最好,磨损率仅为1.99×10~(-16) m~3/N?m。
【图文】：

相图,相图,钨基,涂层

为了获得更高性能的钨基涂层，目前部分课i 等元素，专注于研究多元钨基氮化涂层。天津大学量的 WCN 涂层，硬度值最高达 36.7 GPa，碳元素抗高温氧化性[20]。该课题组同时向 WNx 掺杂 Si 元显微结构和摩擦性能，WSiN 涂层硬度同样可达 3N 涂层的耐蚀性[21]。此外，还有研究人员将关注点放比如 CrN/WN[22]、ZrN/WN[23]等。尽管多元钨基氮度、耐磨性及抗高温氧化性能，但若要充分发挥钨基制备与研究非常有必要。目前，研究 WNx 二元涂层大学、广岛大学[25]、吉林大学、江苏大学等少数课WNx 涂层的制备工艺与涂层性能之间的关系、WN统全面的研究。族金属钨与氮的化合物，，其二元相图如图 1-2 所示

应力分析,多晶,方法,倾转

膨胀系数不同造成的热应力（thermal stress,应力时，硬质薄膜中的拉应力由晶界收缩产生过离子轰击释放，薄膜生长过程中晶粒长大，拉厚度。因此，在偏压条件下沉积的多晶薄膜存表面是压缩应力[42]。有研究表明[43,44]，残余应重要影响，对裂纹的萌生和扩展也有很大作量涂层残余应力是常见的方法。若涂层较厚，但 PVD 涂层厚度通常只有几个微米甚至达弱，同时会有基体材料的衍射峰的干扰。对于用多晶面应力分析方式，即以掠入射的方式测入射角 ω 固定，不同衍射峰的 2 角不同，则相同，即得到不同衍射峰时倾转角 ψ 也各不晶面间距的变化量和倾转角来计算得到涂层残
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

【参考文献】