木工刀具用Ti—B—C塗層殘餘應力研究

徐淑艷，謝元仲，楊德嶺，方海峰，陳春晟

木工刀具是應用非常廣泛的一類加工刀具，目前使用的大部分木工刀具基體為金屬材料，硬質耐磨塗層為陶瓷材料[1-3]。由於陶瓷與金屬材料物理性質不同，使塗層在製備和使用過程中產生內應力。此外，陶瓷塗層與基體材料的結合主要為機械嵌合，塗層呈層狀結構，緻密性較差，塗層中往往含有10%～15%的氣孔，易出現微裂紋，使塗層與基體的結合強度較低[4]。在使用過程中由於加工升溫很容易出現剝落，導致塗層過早失效，所以如何實現由金屬向陶瓷塗層的過渡，在金屬基體和陶瓷塗層之間形成良好的結合力，最大限度的體現塗層的優越性能，是木工刀具表面改性一直以來的研究熱點[5-6]。為了解決陶瓷塗層存在的這些問題，提高超硬塗層的性能，在基體和陶瓷塗層之間引入過渡塗層是最為有效的解決途徑之一[7-8]。如何選擇過渡層和陶瓷塗層的厚度對獲得最優性能的複合塗層具有重要意義，因此，本研究在金屬基體和硬質塗層之間引入過渡層，通過改變Ti過渡層和Ti-B-C硬質塗層的厚度，研究二者厚度的變化對複合塗層的殘餘應力的影響規律，為硬質塗層在木工刀具表面的應用奠定實驗基礎。

1材料與方法

1.1原材料

基體材料選用M50鋼，尺寸大小為35 mm×2.5 mm×0.4 mm，主要化學成分見表1。另外採用單晶矽片作為對照襯底，用以測量塗層的厚度。

表1M50鋼的元素百分含量wt%

Tab.1 Element content of M50 steelwt%

靶材選用複合靶，內部為TiB2，外環為C(石墨)，複合靶中心的TiB2靶直徑為Φ90 mm，厚度為9 mm，複合靶外部的C環內徑為80 mm，外徑為120 mm，具體如圖1所示。另外，選用純Ti靶沉積Ti過渡層。

圖1TiB2/C複合靶結構示意圖

Fig.1 Structure diagram of TiB2/C composite target

1.2塗層製備與分析

為研究Ti過渡層厚度和Ti-B-C塗層厚度對塗層殘餘應力的影響，改變過渡層和塗層的沉積時間，具體工藝參數見表2。沉積過程工作氣壓為0.6 Pa，靶基距為10 cm。為方便描述，稱由Ti過渡層和Ti-B-C塗層組成的塗層為複合塗層。

表2複合塗層製備工藝參數

Tab.2 Process parameters of composite coatings

採用Philips X-Pert型小角X射線衍射(GXRD)對塗層的結構進行分析。採用FEI公司生產的Quanta 200FEG型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)測試塗層的厚度，然後由樣品沉積塗層前後的曲率半徑變化，根據Stoney方程計算複合塗層的殘餘應力，其基本方程為：

。

(1)

式中：σf為薄膜殘餘應力，Pa；μs為基底材料的泊松比；ρ為結構平均曲率半徑，m；δs為基體的厚度，m；δf為薄膜的厚度，m。

2結果與分析

2.1Ti-B-C塗層的結構

圖2為M50鋼基片上沉積Ti-B-C塗層的X射線衍射圖譜。經分析，衍射峰均對應TiB2相，其中最強峰出現在2θ=27.3°處，對應於TiB2的(001)晶面(d=0.324nm)，在2θ=44.6°和68.0°時也出現了強度較高的衍射峰，分別對應於TiB2的(101)晶面和(102)晶面。根據PDF標準衍射卡片，TiB2的衍射峰按強度大小排列應該是(101)、(100)和(110)，與本實驗中樣品表面所測量的結果有差異，這說明Ti-B-C塗層中的主相TiB2出現了明顯的擇優取向的現象，大部分TiB2晶粒均沿(001)晶進行生長。

圖2Ti-B-C塗層XRD結果

Fig.2 XRD result of Ti-B-C coating

2.2殘餘應力隨Ti過渡層沉積時間的變化

由於基體為M50鋼，晶格為金屬密堆積結構，而Ti-B-C塗層為無機化合物，因此塗層與基體的結構有較大差異，存在晶格不匹配的問題，結合力較差。為增強塗層與基體之間的結合力，在塗層與基體之間沉積一層Ti過渡層，複合塗層殘餘應力隨過渡層沉積時間的變化如圖3所示。

從圖3中可以看出，在沒有Ti過渡層的時候，複合塗層的殘餘應力最大，說明當Ti過渡層存在時，可以減小Ti-B-C塗層與基體間的晶格不匹配效應，對減小複合塗層殘餘應力有較明顯的作用。對於有過渡層的情況，過渡層Ti沉積時間為60 min時殘餘應力最大。由於Ti-B-C塗層的沉積工藝參數相同，所以複合塗層殘餘應力的差異均由過渡層的差異引起。可以認為當過渡層Ti沉積時間為30 min時，過渡層較薄，因此缺陷較少，由過渡層本身產生的殘餘應力較低；當過渡層Ti沉積時間為120 min時，過渡層已經達到穩定狀態，由過渡層本身的缺陷所產生的應力會抵消一部分過渡層與基體間晶格失配產生的應力。故過渡層沉積時間為60 min時，塗層殘餘應力達到最大。

圖3複合塗層殘餘應力隨Ti過渡層沉積時間的變化

Fig.3 Residual stress of composite coatings with different

deposition time of Ti intermediate?layer

2.3殘餘應力隨Ti-B-C塗層沉積時間的變化

塗層沉積時間的不同，會導致塗層的厚度發生變化，從而影響塗層的殘餘應力。不同Ti-B-C塗層沉積時間的複合塗層的殘餘應力如圖4所示。

圖4塗層殘餘應力隨Ti-B-C塗層沉積

時間的變化規律

Fig.4 Residual stress of coatings with different

deposition time of Ti-B-C coatings

可以看出，複合塗層的殘餘應力隨著Ti-B-C塗層的沉積時間的增加而增加，但增加的程度較小。當Ti-B-C塗層沉積時間增加時，塗層的厚度增加，由此產生的塗層的缺陷也就增多，塗層中晶格不匹配現象也會增多，從而導致塗層的殘餘應力增加。並且，塗層與過渡層界面間的應力是殘餘應力的重要組成部分，當Ti-B-C塗層厚度較薄時，界面應力是複合塗層殘餘應力中的主要成分；當Ti-B-C塗層厚度繼續增加，殘餘應力就會趨向穩定。另外，隨著沉積時間的增加，Ti-B-C塗層中的微晶也會發生微晶合併和晶粒長大，微晶合併和晶粒長大也會消除一部分晶體中的缺陷使得塗層體積收縮，從而產生拉應力。這兩部分共同作用的結果使複合塗層中的殘餘應力隨著沉積時間的增加而增加，但增加的程度並不是很大。

2.4殘餘應力隨複合塗層放置時間的變化

複合塗層內殘餘應力是否會隨放置時間的延長而變化將影響其使用狀態，所以本文將具有不同殘餘應力的複合塗層靜置一定時間，分析其殘餘應力隨時間的變化規律。圖5為這些塗層經過1、2、5、10、20 d後的殘餘應力值。

圖5複合塗層殘餘應力隨放置時間的變化

Fig.5 Residual stress of composite coatings

with different standing time

可以看出，儘管在不同試驗條件下沉積得到的複合塗層的殘餘應力有較大的差距，但對於單個樣品來說，殘餘應力處於相對穩定狀態，其數值只會在很小的範圍內浮動。主要是由於塗層在300℃以上的溫度下製備，沉積完成後隨爐冷至室溫，可以認為是一個退火過程。退火過程中塗層的部分殘餘應力得到了有效的釋放，從而使得塗層的殘餘應力隨時間變化基本保持穩定。

3結論

本文採用磁控濺射方法製備了不同Ti過渡層厚度和不同Ti-B-C塗層厚度的複合塗層，並對其結構和殘餘應力進行了研究，所得結論如下。

(1)Ti-B-C塗層主要結構為晶態的TiB2，塗層沿(001)面擇優生長。

(2)Ti過渡層的存在可以有效減小複合塗層中的殘餘應力，當過渡層沉積時間為60min時複合塗層的殘餘應力達到最大。

(3)在本試驗條件範圍內，複合塗層的殘餘應力隨Ti-B-C塗層沉積時間延長而增加。

(4)複合塗層內的殘餘應力隨放置時間的延長基本不發生改變。

【參考文獻】

[1]賈娜，張兆好，付廷輝.基於有限元數值模擬的木工刀具幾何參數優化[J].森林工程，2013，29(5)：64-66.

[2]張華.人造金剛石在木工刀具上的應用及展望[J].木材加工機械，2014(4)：56-58.

[3]李曉旭，李黎.木工刀具硬質合金應用現狀和發展趨勢[J].林業機械與木工設備，2010，38(8)：4-7.

[4]李安海.基於鈦合金高速銑削刀具失效演變的硬質合金塗層刀具設計與製造[D].濟南：山東大學，2013.

[5]文志民，陳浩.木工刀具數字化製造技術及應用[J].林業機械與木工設備，2015，43(11)：7-9.

[6]張啟沛，鍾喜春，李春明，等.電弧離子鍍與磁控濺射複合技術製備Ti/TiN/TiAlN複合塗層的組織結構與力學性能[J].真空科學與技術學報，2015，35(2)：195-200.

[7]徐俊華，徐鋒，劉召志，等.基於離子滲鈮過渡層的金剛石刀具塗層結合性能研究[J].人工晶體學報，2014，43(10)：2522-2527.

[8]葉育偉，陳顥，王永欣，等.不同過渡層對CrCN塗層性能的影響[J].有色金屬科學與工程，2014，5(6)：61-66.

承接|刀具廣告|軟文推廣|求職招聘|微信推送

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！