硬质涂层简介

硬质涂层是指极具坚硬且耐磨的保护性涂层。金属加工产业最常见的硬质涂层有氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)等二元氮化物应用于拉伸、冲压、剪切、锻造、铸造模具与切削加工。切削工具在进行切削加工时，由于在切削的过程会产生明显的摩擦行为与磨损，从而导致腐蚀、氧化或机械热疲劳等现象，使切削工具寿命大幅降低。其中最为显著的因素为摩擦行为产生的热无法有效地在切削工具与加工件之间的界面排除。因此需要在切削工具上做高硬度且耐高温硬质涂层之表面处理，延长切削工具的使用寿命。硬质涂层通常可以根据其元素键结来做分类，不同的键结方式所呈现的性质也有所不同，如图1所示。如何选择硬质涂层的元素组合已成为至关重要的课题之一。

图1、不同元素之间的键结与特性

TiAlN硬质涂层随着Al元素含量变化之特性

为了因应现阶段切削加工严苛的环境以及对于硬质涂层的保护性要求标准越来越高，有学术文献在TiN掺入Al元素，形成TiAlN，并且相较于TiN，TiAlN可具有优良的硬度与提高切削速度进行切削加工，并拥有更优异的高温稳定性。如图2所示，以DC直流磁控溅镀沉积TiAlN，随着Al的成分越高，可观察到XRD的结构特征峰有所变化，并且晶粒尺寸有变小的趋势，晶粒尺寸在遵循Hall-Patch方程式的条件下会使涂层的硬度有所提升，硬度变化如表1所示。以结果来说，涂层元素含量的变化会影响结构变化，从而导致机械性质会有所改变。

图2、TiAlN硬质涂层随着Al元素含量变化之X光绕射图

表1. TiAlN硬质涂层随着Al元素含量变化对应之硬度值

TiN、TAliN与TiSiN硬质涂层之切削加工实例

除了对TiN掺入Al能形成TiAlN之外，当TiN掺入Si，形成TiSiN硬质涂层时，由于掺入Si时会容易产生Si₃N₄，能使涂层硬度大幅度提升。有文献以TiN、TiAlN与TiSiN来进行切削测试与性质比较。从图3可以观察到TiSiN涂层的截面形貌相较于其他两者有明显的不同，呈现相较致密的状态，这样致密的结构也反映在硬度值如表2所示。

图3、TiN、TiAlN与TiSiN硬质涂层之截面形貌

表2、TiN、TiAlN与TiSiN硬质涂层硬度值

在碳化钨刀具上分别镀TiN、TiAlN与TiSiN对42CrMo4V合金钢进行切削加工，并量测当刀具上涂层的Flank wear达到0.15mm时的周期数来做比较，由分析结果如图4所示可观察到TiAlN的刀具切削周期数可达160000次，TiSiN虽然拥有最高的硬度但切削周期数只有70000，而TiN的表现最差，周期数仅达35000次。由该切削测试可得知，高硬度涂层同时会伴随着较高的压缩应力，从而导致附着性变差，进而减少刀具的使用寿命。硬质涂层的最佳设计并非一昧地追求高硬度，而是必须在硬度与附着性之间抓到最佳的平衡点，以最大化切削工具的使用寿命。

图4、TiN、TiAlN与TiSiN硬质涂层于铣刀上之Flank wear曲线图

参考数据

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)

2.    Structure, hardness and thermal stability of TiAlN and nanolayered TiAlN/CrN multilayer films

(https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2004.08.020)

3.    Ambient and elevated temperature properties of TiN, TiAlN and TiSiN PVD films and their impact on the cutting performance of coated carbide tools

(https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.07.001)