カチオン性アークイオンコーティング技術により作製されたAlCrNコーティングの高温摩耗挙動

- Jun 14, 2018-


AlCrNコーティングは、TiCセラミック切削工具の表面上に陰極イオンコーティング法によって調製した。 900℃における異なる荷重下でのコーティングの摩擦および摩耗挙動を、ボール/平面接触法によって調べた。 摩耗トレースプロファイルおよび顕微鏡形態は、走査型電子顕微鏡によって観察された。 摩耗後のコーティングの表面上の化学元素および相の変化を、エネルギー散乱分光法およびX線回折によって分析した。 結果は、900℃での酸化後に、コーティング中のN元素すべてが放出されて、AlおよびCrの酸化物を形成し、潤滑および摩耗特性を改善することを示している。 コーティングの平均摩擦係数は、600,800及び1000gの荷重下で0.1455,0.339及び0.4188であった。 600g荷重で優れた摩擦特性を示し、精密加工に適しています。 高温では、AlCrNコーティングは、酸化摩耗を示し、少量の研磨摩耗および接着剤の摩耗を伴う。

 

高速、高精度、効率的なドライカッティングの開発により、表面コーティング技術が工具性能を効果的に向上させる主な方法です。 CrNコーティングは、高い硬度、高い耐摩耗性および低い摩擦係数の利点を有する。 工具表面の改質に広く使用されています。 しかし、CrN被膜の加工温度は650℃であり、高温加工には適していない。 CrN結晶は面心立方構造である。 Al原子を添加した後、CrNの一部のCr原子が置換され、Cr原子にAl原子が溶解する。 CrN結晶構造は面心立方晶から六方晶構造に変化し、その微細構造、機械的性質、磨耗特性に大きな影響を与えた。

 

高温では2種類のコンパクト酸化物であるCr2O3とAl2O3が形成され、熱安定性が高まり、その酸化防止温度は900℃に達し、高硬度、高耐摩耗性、高温耐酸化性を維持することができます。良好な性能を得るために基材との接着力を向上させるために、非常に大きなリングギヤの効率的な乾式切断に適していると考えています。 著者らは、TiCサーメットの表面にAlCrN皮膜を作製し、900℃で摩擦・摩耗挙動を解析する陰極アークイオンコーティング法を用い、超大型リングギアの効率的な機械加工の技術的基準を提供した。

 

試験方法

 

基材は、TiCをベースにしたセラミック切削工具であり、硬質相がTiCとTiNであり、接着剤がNiである、マイクロサイズのTiCと混合されたナノメートルスケールのTiNを焼結することによって作られる。 その化学組成(質量比)は、Ti51.26%、W19.55%、C12.92%、Ni7.63%、Co8.64%である。 脱脂およびサンドブラストの後、サンプルをアセトン溶液で超音波洗浄し、無水エタノールで脱水した。 恒温オーブンで乾燥させた後、PVTコーティング機でコーティングした。 99.99%純度のCrおよびAlをターゲットとして、コーティングパラメータ:真空度3×10 -3 Pa、炉温度500℃、反応ガスN 2、コーティング時間120分。 保護としてN2ガスを用い、180℃で2時間アニールした後、KQ2200DEタイプの超音波洗浄でアセトンを使用した後、脱イオン水で超音波洗浄し、最後にヘアドライヤーで乾燥させて必要なサンプルを得た。 900℃でのAlCrNコーティングの摩擦摩耗特性をHT-1000高温摩擦摩耗試験機で調べた。 試験パラメータは、それぞれ600,800,1000gの荷重、温度は900℃、30段階のプログラム可能温度コントローラで調整した。 精度は0.2%FS(フルスケール)、セラミックボールは研磨部品に使用され、摩擦半径は3mm、回転速度は1000r / minです。 摩耗試験後、高温磨耗前後の被膜の表面形態をSUPRA55走査型電子顕微鏡で観察した。 高温摩耗前後の被膜の化学組成および相変化を走査型電子顕微鏡(EDS)およびD / max2500PC X線回折(XRD)装置で分析して、高い下のAlCrN被膜の摩耗破壊メカニズムを研究した温度。

 

分析と結果の議論


図1(a)は、室温でのAlCrNコーティングの表面形態を示す。 表面上の粒子は比較的小さい。 その理由は、Alターゲットのスパッタリング収率が増加し、それに応じてコーティング核生成速度が増加するからである。 コーティングの表面は比較的滑らかであり、イオン衝撃によって引き起こされるコーティング表面の逆スパッタリング効果のために、様々なサイズのピットが多数存在する。 そしてある程度は、コーティングの表面粗さが減少する。 AlCrN被覆化学元素質量分率:Al36.72%、Cr36.11%、N27.18%; 以下の図1(b)に示すように、原子分率:Al34.06%、Cr17.38%、N48.56%である。 AlCrNコーティング組成物は、Al、CrおよびNの3元素であり、原子数が2:1:3に近い比率であり、コーティングがAlおよびCrの窒化物を主成分とすることを示している。硬度および耐酸化性を有する。

 

図1 AlCrN皮膜の表面形態とEDS解析

 

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結論

 

(1)900℃で酸化した後、皮膜中のN元素がすべて放出され、表面にAl2O3とCr2O3が形成される。 中でも、Al 2 O 3酸化物は摩耗過程において摩擦低減効果を有する。 Cr 2 O 3は、コーティングの層硬度および磨耗特性を改善する。

 

(2)荷重が600,800,1000gの場合、コーティングの平均摩擦係数はそれぞれ0.1455,0.33939,0.4188である。 中でも、精密加工に適した600g荷重で優れた摩擦特性を発揮します。

 

(3)900℃での摩擦過程では、高温でのマトリックス原子の拡散に起因する皮膜の摩耗痕に多量の酸化物が生成し、酸化摩耗が特徴である少量の摩耗磨耗および接着剤の摩耗によって生じる。