氮化(鈦鋁矽)薄膜切削特性之研究

A Study on Cutting Performance of (TiAlSi)N Films

10.6841/NTUT.2011.00046

蔡坤晉

陰極電弧沉積法 ； 高溫氧化 ； 摩擦係數 ； 切削特性 ； Cathodic arc evaporation ； oxidation ； coefficient of friction ； cutting performance

臺北科技大學材料科學與工程研究所學位論文

2011年

碩士

陳貞光;謝耀南

繁體中文

薄膜技術在切削刀具上自80年代起即被廣泛運用迄今，從早期的二元單層薄膜逐步擴展到現今四元複合薄膜。本研究針對刀具以陰極電弧沉積法在刀具表面鍍覆TiN、TiAlSiN及AlTiN複合薄膜，比較刀具表面的鍍膜耐磨耗性，製備後的試片分別以掃描式電子顯微鏡觀察薄膜結構、膜厚及成份，並在高溫下進行氧化處理，利用XRD繞射分析觀察其薄模的高溫氧化特性，以及利用磨耗試驗及奈米壓痕試驗、分別觀測摩擦係數與薄膜之附著性。由實驗結果得知，TiAlSiN、TiN及AlTiN薄膜的平均摩擦係數分別為0.44、0.32及0.39，主要係受三種薄膜的粗糙度不同而影響，其中以TiN薄膜粗糙度最低，因此摩擦係數最低；而薄膜之厚度分別為2.0、1.75及1.78 μm，經壓痕測試得知三種薄膜均具有HF1-HF4等級的附著性。由XRD繞射觀察得知TiAlSiN、TiN及AlTiN薄膜分別在900、700、以及800°C以上時，膜層結構開始產生氧化反應，因此在三種薄膜中TiAlSiN的高溫穩定性最佳，同時由其切削後薄膜刀具的變化，可以了解其中以TiAlSiN複合薄膜較為硬脆，適合鑄鐵材切削；TiN附著性較佳，相對適合使用於韌性較高的不銹鋼材質切削；而AlTiN則適合較軟的鋁合金材料切削。

Coating technology for cutting tools has since 80s been widely used. Quaternary system films are developed from earlier binary system films. The current study utilized Cathodic Arc Evaporation (CAE) to coat TiAlSiN, TiN , and AlTiN multilayer films on tool surface. The specimens were examined by scanning electron microscopy (SEM) to characterize film structures, thickness and composition. Films are also oxidized at high temperatures to observe changes in the coating structures using X-ray diffraction. Wear tests and indentation tests are also performed to evaluate their coefficient of friction and thin film adhesion, respectively. Results show that TiAlSiN, TiN, and AlTiN multilayer films bear coefficient of friction 0.44, 0.32 and 0.39, respectively. TiN bears lowest surface roughness and thus the lowest coeffeicient of friction in three coatings. The three films all have HF1-HF4 level adhesion. X-Ray diffraction reveals that TiAlSiN, TiN, and AlTiN films start to oxidize at temperatures above 900, 700, and 800 °C, respectively. The natures of three different coatings apparently affect their applicability for different materials cutting. Among the cutting tests of cast iron, stainless steel, and aluminum alloy materials, TiAlSiN is best adopted for cast iron cutting due to its brittle characteristics. TiN is applicable for cutting the tough stainless steels, while AlTiN performs better for aluminum alloy cutting.

1. [2] L.A. Dobrza′nski, K. Golombek, J. Kopaˇ, M. Sokovi′c, “Effect of depositing the hard surface coatings on properties of the selected cemented carbides and tool cermets”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 157-158, 2004, pp. 304-611.
   連結：
2. [3] K.-D. Bouzakis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, I. Mirisidis, N. Michailidis, K. Efstathiou, E. Pavlidou, G. Erkens, R. Cremer, S. Rambadt, I. Wirth, “The effect of coating thickness, mechanical strength and hardness properties on the milling performance of PVD coated cemented carbides inserts”, Surface and Coatings Technology, vol.177 –178, 2004, pp.657–664.
   連結：
3. [4] R.L. Boxman, S. Goldsmith, Surf. Coat. Technol., vol. 52, 1992, pp.39-52.
   連結：
4. [9] M.C. Shaw, "Metal cutting principle", 3rd. Ed., Oxford University Press, Walton Street, 1984, pp.229-256,362.
   連結：
5. [11] 賴奎良，「ADI利用陰極電弧電漿沉積法披覆TiN/TiAlN之薄膜特性及腐蝕行為研究」，大同大學碩士論文，2005年。.
   連結：
6. [12] Y. Ozmen, A. Tanaka, T. Sumiya, “The effect of humidity on the tribological behavior of diamond-like carbon (DLC) film coated on WC-Co by physical vapor deposition method”, Surface and Coatings Technology, vol. 133-134, 2000, pp.455-459.
   連結：
7. [16] D. M. Mattox, Deposition Technologies for Films and Coatings, 1982, pp.244-287.
   連結：
8. [23] V. Valvoda, Surf. Coat. Technol., vol. 80, 1996, pp.61-65.
   連結：
9. [25] M. Arndt, T. Kacsich, “Performance of new AlTiN coatings in dry and high speed cutting”, Surface and Coatings Technology, vol. 163-164, 2003, pp.674-680.
   連結：
10. [26] A. von Richthofen, R. Cremer, M. Witthaut, R. Domnick, D.Neuschutz, “Composition, binding states, structure, and morphology of the corrosion layer of an oxidized Ti0.46Al0.54N film”, Thin Solid Films, vol. 312, 1998, pp. 190-194.
    連結：
11. [29] P.W. Shum, Z.F. Zhou, K.Y. Li, “Enhancement of adhesion strength and tribological performance of pure carbon coatings on Ti-6Al-4V biomaterials with ion implantation pre-treatments”, Tribology, vol.40, 2007, pp.313-318.
    連結：
12. [30] T.H. Zhang, Y. Huan, “Nanoindentation and nanoscratch behaviors of DLC coatings on different steel substrates”, Composites Science and Tribology, vol.65, 2005, pp.1409-1413.
    連結：
13. [31] 丁志華、管正平、黃新信、戴寶通，「奈米壓痕系統簡介」，國家奈米元件實驗室，奈米通訊 第九卷第三期，2000年，pp. 4-10。
    連結：
14. [33] K. Holmberg, A. Matthews, Coatings Tribology, 1994.
    連結：
15. [39] 李清祺，「鐵基合金於氯化鈉之高溫腐蝕機制」，國立臺灣科技大學碩士論文，2006。
    連結：
16. [40] 鄭彥蘋，「氧流量對陰極電弧沈積Cr(N,O) / CrN 複合薄膜機械性質之影響」， 大同大學碩士論文，2004。
    連結：
17. [46] X.C. Li, C.S. Li, Y. Zhang, H. Tang, G. Li, C.C. Mo, “Tribological properties of the Ti–Al–N thin films with different components fabricated by double-targeted co-sputtering”, Applied Surface Science, vol.256, 2010, pp. 4272-4279.
    連結：
18. [47] G.G. Fuentes, E. Almandoz, R. Pierrugues, R. Martínez, R.J. Rodríguez, J. Caro, M. Vilaseca, “High temperature tribological characterisation of TiAlSiN coatings produced by Cathodic Arc Evaporation”, Surface and Coatings Technology, vol.205, 2010, pp. 1368-1373.
    連結：
19. [50] C.H. Lai, K.H. Cheng, S.J. Lin , J.W. Yeh, “Mechanical and tribological properties of multi-element(AlCrTaTiZr)N coatings”, Surface and Coatings Technology, vol.202, 2008, pp.3732–3738.
    連結：
20. [51] 呂冠健，「無電鍍鎳介層對電弧沉積TiAlCrN 硬膜之ADI表面性質的影響」，大同大學碩士論文，2008年。
    連結：
21. [52] 李建志，「過濾式陰極電弧沉積(Ti,TiAl)N/(Ti,TiAl)CN 混合薄膜之特性研究」，大同大學碩士論文，2006年。
    連結：
22. [53] N. Fukumoto, H. Ezura, T. Suzuki, “Synthesis and oxidation resistance of TiAlSiN and multilayer TiAlSiN/CrAlN coating”, Surface and Coatings Technology, vol.204, 2009, pp.902–906.
    連結：
23. [54] X.Y. Kui, J.Z. Wang, Y.P. Liu, J.Y. Xu, Y. Gao, Z. Xu, “Study on wear resistance of TiN multi-permeation layer using glow plasma surface alloying”, Surface and Coatings Technology, vol.201, 2007, pp. 5302–5305.
    連結：
24. [55] M. Arndt, T. Kacsich, “Performance of new AlTiN coatings in dry and high speed cutting”, Surface and Coatings Technology, vol.163 –164, 2003, pp.674–680.
    連結：
25. 參考文獻
26. [1] 余仁傑，「橢圓球形端銑刀之設計與研磨」，國立成功大學機械工程研究所碩士論文，2001年。
27. [5] 趙浩勇、何主亮、陳克昌，表面技術雜誌，153期，1995年， p.75。
28. [6] 陳寶清，真空表面處理工程，傳勝出版社，1992年。
29. [7] 精密銑削專輯 精密加工百科，1991年。
30. [8] 吉田邦彥著,賴耿陽譯, 「超硬刀具」，復文書局，1993年。
31. [10] 林學良，「不同披覆刀具對铣削MAR-M247 之影響」，國立中正大學碩士論文，2000年。
32. [13] 鍾長祥、張嘉珍，「工業材料雜誌」，114期，1996年，p.112。
33. [14] G. Krauss, Journal of Heat Treating, 1992, pp.81-89.
34. [15] T. Spalvins, “Ion Nitriding”, ed. by T. Saplvins, ASM International,1987, p.1.
35. [17] 李秉璋，王正和，「工業材料雜誌」，168期，2000年，pp.125-130。
36. [18] 柯賢文，「表面與薄膜處理技術」，全華科技圖書股份有限公司，2005年。
37. [19] N.A.G. Ahmed, ”Ion Planting Technology /Developments And Application ”John Wiley and Sons New York, 1987, pp.53-55.
38. [20] 陳偉令，「TiAlSiN奈米複合塗層之高溫氧化研究」，明道大學碩士論文，2009年。
39. [21] B. Navinsek, Materials & Manufacturing Process, vol.7, no.3, 1992, pp.363-382.
40. [22] P.Wallen and S. Hogmark,Wear, vol.130, 1998, pp.123-135.
41. [24] 國科會精儀中心 編著，「儀器總覽5 材料分析儀器」，1998年，pp.78-81。
42. [27] 汪建民，「材料分析」，中國材料科學學會，2001年，ch6。
43. [28] 鄭信民、林麗娟，「工業材料雜誌」，181 期，2002年，pp.100-105。
44. [32] 國家實驗研究院儀器科技研究中心出版，「光學元件精密製造與檢測」，2000年，pp. 464-467。
45. [34] 黃俐恬，「陰極電弧沉積法披覆CrN/Cr(N, O)複合層之製程與特性研究」，大同大學碩士論文，2003年。
46. [35] 余東曉，「鋼材的氧化磨耗行為」，國立台灣大學碩士論文，2001年。
47. [36] 鐘永文，「物理蒸鍍氮化鉻薄膜於碳化鎢基材高溫氧化性能之研究」，國立高雄第一科技大學碩士論文，2003年。
48. [37] 謝騏軒，「鉛奈米粉粒的氧化機制與結構探討」，國立中央大學碩士論文，2004。.
49. [38] 郭鑑瑩，「非平衡磁控物理濺鍍鈦鋁碳氮(TiAlCN)薄膜於高速鋼基材上之高溫氧化性能研究」，國立高雄第一科技大學碩士論文，2003。
50. [41] 李文興，潘永寧，「冶金熱力學」，文京圖書出版社，1994。
51. [42] 魏家傑，「鐵鉻合金沉積氯化鈉及氯化鈣混合鹽之高溫腐蝕研究」，國立台灣科技大學碩士論文，2003。
52. [43] 孫如龍，「走心式自動車床車削參數與表面性質之研究」，國立臺灣海洋大學碩士論文，2009年。
53. [44] 劉偉均，「切削加工學」，東華書局，p.174。
54. [45] 趙芝眉、湯銘權、蔡在儃，「屬切削原理」，科技圖書股份有限公司，pp.166-167。
55. [48] W. Heinke, A. Leyland, A. Mattews, G. Berg, C. Friedrich and E.Broszeit, Thin Solid Films, vol. 270 ,1995, pp. 431-438.
56. [49] N.Vidakis, A. Antoniadis and N. Bilalis, Journal of Materials Processing Technology, vol. 143-144, 2003, pp. 481-485.