利用脉冲工艺改进TiN薄膜组织性能的研究

摘要

PVD涂层技术是现代工业技术发展中最重要的基石之一，TiN涂层是目前应用最多的涂层品种，广泛应用于刀具、模具、电子及装饰等行业。成都工具研究所使用的CTI-830型镀膜机采用的是热阴极离子镀技术，该技术涂覆的TiN薄膜具有表面光洁度好、膜层致密、硬度高等特点。
　　CTI-830型镀膜机由于采用的是直流偏压电源，并且只能进行单一金属化合物的涂层，产品质量的提高工作遇到了瓶颈。为进一步挖掘该设备的潜力，我们对其偏压电源进行了改造，采用了直流附加脉冲式电源。并针对该电源，进行了相应的工艺改造。
　　我们通过在不同工艺段对涂层基体施加不同的直流和脉冲负偏压，生产出不同的涂层样品，并通过 X射线衍射（XRD）、划痕检测法、球磨法分别检测出这些样品TiN薄膜的择优取向、膜-基结合力和薄膜厚度等质量指标来指导下一步的工艺改进方向。并利用外圆冲击切削或螺纹车削检测等方法来检测不同涂层工艺下刀片的实际切削能力。最后，还通过横截面形貌、显微硬度、摩擦学特性等项目的测试比较了不同涂层工艺下TiN薄膜的微观特性。
　　通过多次实验，我们得到了现阶段的最佳涂层工艺。在将该工艺应用于实际的规模生产时，我们又遇到了部分刀片刃口钝化圆角过小的问题。针对该问题，我们又进行了多次实验，并最终得到了针对成都工具研究所硬质合金刀片实际加工水平的新涂层工艺。利用该工艺，我们达到了预期设想的质量指标，提高了产品质量、减少了废品率、增加了生产效益。
　　通过这次工艺改进试验工作，我们得到了以下结论：
　　1、灵活地应用脉冲技术对提高涂层的质量大有帮助。
　　2、TiN涂层过程中，适当提高基体的负偏压，有利于提高TiN薄膜的沉积速率、增强膜-基结合力，并有利于 TiN薄膜向（111）方向生长，有利于提高涂层时离子的表面迁移率水平。但过高的基体平均负偏压也会造成TiN薄膜组织疏松，并降低TiN薄膜的沉积速率。
　　3、适当提高基体的涂层温度有也利于提高 TiN薄膜的沉积速率、增强膜-基结合力。但温度过高，会使 TiN柱状晶生长过快，造成 TiN薄膜组织疏松。我们认为适合的涂层温度在500～600℃之间。
　　4、镀膜前适当提高基体的表面粗糙度有利于膜-基结合强度的提高。
　　5、刀片刃口钝圆半径大于0.02mm，有利于TiN薄膜的沉积。

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第一章 绪 论

1.1 气相沉积技术简介

1.2 当前PVD刀具涂层代表技术及实现工艺

1.3 TiN基涂层应用及研究进展

1.4 国内刀具用PVD涂层的市场现状

1.5 本论文的起因、设想及目的

第二章 试验设备、原理和方法

2.1 试验设备

2.2 TiN涂层的工艺过程

2.3 TiN薄膜质量的表征

第三章 脉冲工艺改进试验内容

3.1 直流基体偏压下TiN薄膜的性能

3.2 直流脉冲偏压改进后TiN薄膜的性能

第四章 结论和展望

4.1 论文的工作总结

4.2 本实验的创新点

4.3 研究展望

致谢

参考文献