硬质合金高温化学气相沉积TiN涂层工艺及性能研究
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TiCxNy相，以及W6Co6C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。
TiN涂层工艺;硬质合金;化学气相沉积;正交试验;X光电子能谱;显微组织
西华大学
硕士
材料学
赵广彬
2011
中文
TG135.5;TG174.41
88
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）