硬質塗層元素組合之塗層性質與應用實例
硬質塗層簡介
硬質塗層是指極具堅硬且耐磨的保護性塗層。金屬加工產業最常見的硬質塗層有氮化鈦(TiN)、氮化鉻(CrN)等二元氮化物應用於拉伸、衝壓、剪切、鍛造、鑄造模具與切削加工。切削工具在進行切削加工時，由於在切削的過程會產生明顯的摩擦行為與磨損，從而導致腐蝕、氧化或機械熱疲勞等現象，使切削工具壽命大幅降低。其中最為顯著的因素為摩擦行為產生的熱無法有效地在切削工具與加工件之間的界面排除。因此需要在切削工具上做高硬度且耐高溫硬質塗層之表面處理，延長切削工具的使用壽命。硬質塗層通常可以根據其元素鍵結來做分類，不同的鍵結方式所呈現的性質也有所不同，如圖1所示。如何選擇硬質塗層的元素組合已成為至關重要的課題之一。
圖1、不同元素之間的鍵結與特性
TiAlN硬質塗層隨著Al元素含量變化之特性
為了因應現階段切削加工嚴苛的環境以及對於硬質塗層的保護性要求標準越來越高，有學術文獻在TiN摻入Al元素，形成TiAlN，並且相較於TiN，TiAlN可具有優良的硬度與提高切削速度進行切削加工，並擁有更優異的高溫穩定性。如圖2所示，以DC直流磁控濺鍍沉積TiAlN，隨著Al的成分越高，可觀察到XRD的結構特徵峰有所變化，並且晶粒尺寸有變小的趨勢，晶粒尺寸在遵循Hall-Patch方程式的條件下會使塗層的硬度有所提升，硬度變化如表1所示。以結果來說，塗層元素含量的變化會影響結構變化，從而導致機械性質會有所改變。
圖2、TiAlN硬質塗層隨著Al元素含量變化之X光繞射圖
表1. TiAlN硬質塗層隨著Al元素含量變化對應之硬度值
TiN、TAliN與TiSiN硬質塗層之切削加工實例
除了對TiN摻入Al能形成TiAlN之外，當TiN摻入Si，形成TiSiN硬質塗層時，由於摻入Si時會容易產生Si3N4，能使塗層硬度大幅度提升。有文獻以TiN、TiAlN與TiSiN來進行切削測試與性質比較。從圖3可以觀察到TiSiN塗層的截面形貌相較於其他兩者有明顯的不同，呈現相較緻密的狀態，這樣緻密的結構也反映在硬度值如表2所示。
圖3、TiN、TiAlN與TiSiN硬質塗層之截面形貌
表2、TiN、TiAlN與TiSiN硬質塗層硬度值
在碳化鎢刀具上分別鍍TiN、TiAlN與TiSiN對42CrMo4V合金鋼進行切削加工，並量測當刀具上塗層的Flank wear達到0.15mm時的週期數來做比較，由分析結果如圖4所示可觀察到TiAlN的刀具切削週期數可達160000次，TiSiN雖然擁有最高的硬度但切削週期數只有70000，而TiN的表現最差，週期數僅達35000次。由該切削測試可得知，高硬度塗層同時會伴隨著較高的壓縮應力，從而導致附著性變差，進而減少刀具的使用壽命。硬質塗層的最佳設計並非一昧地追求高硬度，而是必須在硬度與附著性之間抓到最佳的平衡點，以最大化切削工具的使用壽命。
圖4、TiN、TiAlN與TiSiN硬質塗層於銑刀上之Flank wear曲線圖
參考資料
1. Hard coatings for cutting applications: Physical vs. chemical vapor deposition and future challenges for the coatings community
(https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127949)
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(https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2004.08.020)
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(https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.07.001)