バイアス電圧がナノコンポジットAlCrN/TiSiNコーティングの微細構造および機械的特性に及ぼす影響

梁暁美、チェン・ヤーフェン、張家全

広東華昇ナノテクノロジー株式会社

抽象的な： 40V、80V、120V、150Vの機能層バイアスを有する多層AlCrN/TiSiN複合コーティング膜は、 AIP+HiPiMSテクノロジー表面液滴をSEMで観察し、コーティング硬度、コーティング密着性、応力を測定し、切断試験を実施して、機能層のバイアス変化がコーティング性能に及ぼす影響を調べた。機能層のバイアス電圧が増加するにつれて、液滴数はまず減少し、その後増加し、硬度と密着性は増加し、その後減少することがわかった。硬度と密着性は120Vで最大値に達し、それぞれ34.6GPaと117.5Nとなった。内部応力は、機能層の基板バイアスの増加とともに増加する。切断試験の結果、機能層のバイアス電圧が120Vの場合、最長の耐用時間は8時間であることがわかった。

キーワード: 機能層バイアス；表面液滴；ナノ硬度；接着性；切削性能

導入

硬質コーティングは、工具と切削材料間の元素の拡散を効果的に抑制し、加工工具の寿命を向上させることができます。CrN コーティングは優れた耐食性と耐摩耗性を持ち、内部応力は非常に低いですが、650 ℃ を超えると熱安定性が悪くなります。Al 原子を CrN に導入して Cr 元素の一部を置換すると、Al 元素と Cr 元素は高温で緻密な Al2O3 および Cr2O3 膜を形成し、O 元素がコーティングに拡散するのを効果的に防ぎ、コーティングの耐酸化性は Al 元素含有量の増加とともに向上します。しかし、温度が 900 ℃ を超えると、AlCrN コーティングに脆い w-AlN が析出し、特に高速乾式切削中にコーティング性能が低下します。工具とチップの接触領域の温度は 1000 ℃ に達することがあり、工具の切削性能が低下し、現代の切削のニーズを満たすことが困難になります。

いくつかの研究では、AlCrN コーティングに Si を導入するとコーティングの耐酸化性が大幅に向上し、同時にコーティング内に非晶質 SiNx コーティングされたナノ結晶構造が形成され、結晶粒径が小さくなり、コーティングの強度と靭性が向上することが示されています。Parlinska-Wojtan M. らは TiAlN に Si 元素を添加して TiAlSiN コーティングを作製しました。Al+Si の添加により、コーティングの硬度は 41GPa に達し、TiAlN コーティングよりも高くなっています。Hsien-Wei Chen らは、AlCrN コーティングに Si を添加するとコーティングの結晶粒が微細化され、耐酸化性が向上することを発見しました。多層構造の設計は、コーティング性能を向上させる効果的な方法であることが証明されています。層間の強固な界面は、コーティング内の転位移動を阻害し、柱状結晶の成長を抑制し、亀裂の伝播を阻害するため、コーティングの熱安定性、高温処理後の硬度、および高温酸化耐性を向上させることができる。 AlCrN/TiSiN多層コーティング AlCrNコーティングの優れた耐酸化性とTiSiNコーティングの超硬質特性を兼ね備えており、幅広い発展の可能性を秘めている。

準備プロセスでは、基板のバイアスの下で高密度のイオンと中性粒子が基板の表面に堆積されますが、AIPの堆積プロセスでは大きな粒子液滴の現象が必然的に発生します。しかし、マグネトロンスパッタリングでは堆積プロセスで良好な表面品質が得られますが、イオン化率と堆積率が低いため、AIPとマグネトロンスパッタリングを組み合わせることで比較的優れたコーティングを準備できます。ただし、異なるバイアス電圧はプラズマエネルギーを大きく変化させ、コーティングの表面形態、微細構造、機械的特性に影響を与えます。したがって、本稿では、アークイオンプレーティング（AIP）と高出力パルスマグネトロンスパッタリング（HiPiMS）の複合技術を使用してAlCrN/TiSiN多層構造コーティングを準備し、機能層の負のバイアスを調整して、機能層の負のバイアスの変化が多層AlCrN/TiSiNの微細構造、コーティング組成、機械的特性に及ぼす影響を探ります。

実験装置と実験計画

広東華昇ナノテクノロジー株式会社製のHA800マグネトロンスパッタリングおよびAIP真空コーティング装置を使用し、6つの円形カソードアークターゲットと2つの正方形マグネトロンターゲットを使用してPVDコーティングを成膜した。円形ターゲットの直径は160mm、Al/Crの原子比は70/30、正方形ターゲットのサイズは500mm×100mm×10mm、Ti/Siの原子比は80/20であった。分析および試験には、研磨された超硬合金正方形サンプル、ステンレス鋼サンプル、およびAPMT1135PDER超硬合金ブレードを使用し、基板に4つの異なる負バイアス電圧（40V、80V、120V、150V）を印加した。

コーティング準備プロセスには、熱放射加熱、プラズマエッチング、コーティング、冷却が含まれます。プラズマエッチングでは、アルゴンでイオン化されたAr+を使用して基板に-200Vの電圧を印加してエッチングを行い、約45分間洗浄します。コーティングプロセス：下層はAIPで準備された約0.4μmのAlCrNコーティングで、バイアス電圧は固定されています。機能層は約0.14μmのAlCrNと0.13μmのTiSiNを6回交互に堆積したもので、表面層はTiSiNコーティングです。AlCrNは窒素とアルゴンの混合雰囲気でコーティングされ、チャンバー圧力は2.8 Paに維持され、ターゲット電流は約190Aでした。TiSiNはHiPiMS技術で準備され、バイアスは固定され、電力は約8kW、デューティサイクルは約28%、キャビティ圧力は約0.6 Pa、Ar:N2比は約3:1で、AlCrNコーティングのバイアスは機能層における電圧はそれぞれ40V、80V、120V、150Vであった。コーティング温度は500℃に保たれ、コーティング全体の厚さは約2.2μmである。

コーティングされたサンプルの微細構造を分析するために、電界放出型走査電子顕微鏡（Zeiss FESEM Sigma300）を使用し、コーティングの構造、表面形態、およびコーティング厚さを特徴付けた。コーティングの硬度を測定するために、Anton Paar NHT3ナノインデンテーションテスターを使用した。20mNの荷重を加え、荷重速度は40mN/分とし、荷重を10秒間保持した。圧痕深さはコーティングの厚さの1/10未満であり、マトリックス選択により十分なデータが収集された。コーティングと超硬合金基板間の密着性を測定するために、Anton Paar NST3ナノスクラッチテスターを使用した。120Nの終了荷重を設定し、スクラッチ長を3mm、スクラッチ時間を30秒とし、各コーティングについて3回繰り返した。SuPro FST1000フィルム応力計を使用し、基板曲げ法とStoney方程式の原理に基づいて、ステンレス鋼基板のフィルム残留応力を測定し、残留応力の変化傾向を調べた。異なる方式における比較は、相対値を用いて行われた。

APMT1135PDERフライスインサートを使用して切削試験を行い、業界で一般的に使用されている加工パラメータを使用して、Nuojin MachineryのK-V855GCNC CNCフライス盤で45鋼を切削した。Keyence VHX-7000デジタル顕微鏡システムを使用して切削プロセス中の摩耗状態を撮影し、フライス刃の裏面の摩耗量を比較してコーティング性能を評価した。フライスインサートの耐用年数を判断する基準は、逃げ面摩耗が300μmに達することである。

実験結果と考察

3.1 機能層の負のバイアスがコーティングの表面形態および断面サイズに及ぼす影響

図1に示すように、機能層の負のバイアスの変化は機能層の液滴の変化につながり、その後の表面堆積では機能層の同じ液滴結果が示されます。バイアスの増加に伴い、コーティング表面上の液滴の数はまず減少し、その後増加することがわかります。機能層の負のバイアス電圧が40Vの場合、液滴の数とサイズは大きくなります。機能層の負のバイアスが80Vと120Vに増加すると、コーティング表面上の液滴は減少します。これは、基板の負のバイアスがプラズマ中の正イオンを加速し、加速によって得られるエネルギーが負のバイアスの増加とともに増加するためです。高エネルギー粒子がコーティングに強く衝突し、機能層表面の液滴が減少します。これは、後続の表面コーティング堆積プロセスにおけるコーティング液滴の減少として現れます。基板の負バイアス電圧が150Vまで増加し続けると、イオン衝撃エネルギーが強くなり、コーティングの逆スパッタリングが起こり、機能層コーティングの表面に穴が形成されることもあります。後続のコーティングが堆積されると、より多くの液滴が穴に残ります。

図1は、異なる機能層の負のバイアス印加時のコーティング表面上の液滴形態を示す。

図2は、負のバイアス下での異なる機能層の断面形態とコーティング厚さの統計を示しています。機能層の負のバイアス電圧が増加するにつれて、断面の厚さが徐々に減少し、40Vで2.303μmから150Vで2.021μmになることがわかります。主な理由は、機能層の負のバイアス電圧が増加すると、コーティング機能層の構造が密になり、コーティングの厚さが減少するためです。特に150Vでは、耐スパッタリング能力が向上し、断面コーティングの厚さがさらに減少します。

図2 異なる機能層の負のバイアス電圧がコーティングの断面厚さに及ぼす影響。

3.2 機能層の負のバイアスがコーティングの内部応力と硬度に及ぼす影響

図3aは、異なる機能層の負のバイアス下でのコーティングの内部応力曲線の変化を示しています。コーティングの応力は圧縮応力であり、バイアスの増加に伴ってコーティングの内部応力が徐々に増加し、40Vの2.23GPaから150Vの4.35GPaまで増加することがわかります。

（a）負のバイアスがコーティング応力に及ぼす影響

（b）負のバイアスがコーティング硬度に及ぼす影響

図3 異なる機能層の負のバイアスがコーティングの残留応力と硬度に及ぼす影響。

図3bは、異なる機能層の負バイアス下でのコーティング硬度の変化を示しています。機能層の負バイアス電圧が40Vの場合、ナノインデンテーション硬度は33.2GPaであり、機能層の負バイアス電圧が80Vに増加すると、ナノインデンテーション硬度は34.2GPaに増加します。機能層の負バイアス電圧が120Vおよび150Vに増加し続けると、ナノインデンテーション硬度はそれぞれ34.6GPaおよび34GPaとなり、硬度は最初に増加し、その後減少します。コーティング硬度の変化は、機能層の負バイアスに関連しています。機能層の負バイアスが増加すると、準備中の衝撃エネルギーが増加し、コーティングが柱状結晶から微細粒構造に変化します。同時に、残留圧縮応力が柱状結晶の粒界すべりを妨げ、コーティングの変形抵抗を向上させます。したがって、機能層の負バイアスが増加すると、 40Vから120Vまではナノインデンテーション硬度が増加するが、機能層の負のバイアスが150Vまで増加し続けると、コーティングの結晶構造が破壊され、逆スパッタリングが促進される。

3.3 異なる機能層の負のバイアスがコーティングの密着性に及ぼす影響

図4は、異なる機能層の負バイアス下でのコーティングの密着性を示しており、コーティングが現れ始めるマトリックスに基づいてLc1コーティングの密着性が評価されています。40V、80V、120V、150VのLc1は、それぞれ98.95N、109.8N、117.5N、93Nです。機能層の負バイアス電圧が40Vから120Vに増加すると、コーティングの応力と硬度が増加し、コーティングの結合力も増加することがわかります。バイアス電圧が150Vまで増加し続けると、内部応力が高くなり、コーティングの脆性が増し、結合力が低下します。

図4 異なる機能層の負のバイアスがコーティングの密着性に及ぼす影響。

3.4 異なる機能層の負のバイアスが切削性能に及ぼす影響

切削試験条件は、線速度 Vc = 117.5m/分、送り fz = 0.57mm/r、切削深さ ap = 0.3mm、冷却条件は空冷です。図 5 は、切削寿命と逃げ面摩耗の関係を示しています。

図5 異なる切削寿命条件下における負のバイアス下での、異なる機能層の摩耗比較。

40Vの機能層の負のバイアスを5時間処理したとき、側面の摩耗は0.41mmに達して破損したが、40Vの機能層の負のバイアスを6時間処理したときは0.36mmに達して破損した。120Vの機能層の負のバイアスを8時間処理したとき、背面の切削面の摩耗は0.33mmであった。バイアス電圧が150Vで切削工具が0.33mmの場合、切削工具は6時間後に破損し、側面の摩耗は0.36mmであった。切削工具の破損傾向はコーティング硬度の変化傾向と一致しており、機能層の負のバイアス電圧は120Vで、これが最高の耐摩耗性を示した。

図6は、加工時間5時間における工具摩耗パターンの比較を示しています。機能層に40Vの負バイアスを印加した場合、硬度と応力が低いため切削刃でコーティングが剥離し、コーティング剥離後に母材が切削に関与するため工具の切削刃が崩壊していることがわかります。機能層の負バイアス電圧を80Vに増加させると、コーティングの耐摩耗性が向上し、大きなコーティング剥離は発生しませんが、摩耗ゾーンの幅は約0.18mmと大きくなります。機能層の負バイアス電圧をさらに120Vまで増加させると、コーティングの密着性と硬度が向上し、工具の耐摩耗性が明らかに向上し、摩耗ゾーンの幅は約0.14mmと明らかに減少します。しかし、機能層の負バイアスを150Vまで増加させると、機能層の負バイアススパッタリングによりコーティングの硬度と密着性が低下し、コーティングの耐摩耗性が低下し、5時間後の摩耗帯の幅は約0.14mmになります。 0.18mm。

図6 5時間使用した工具の摩耗パターンの比較。

4. 結論

AlCrN/TiSiN複合コーティング AIPと高出力パルスマグネトロンスパッタリングコーティングプロセスにより、多層構造のフィルムを作製した。異なる機能層の負のバイアスがコーティングの表面、硬度、密着性、切削性能に及ぼす影響を調査し、以下の結論を得た。

（１）機能層の負のバイアスが増加すると、コーティング表面上の液滴の数は最初は減少し、その後増加し、機能層の負のバイアスが１２０Vのときに液滴が最も少なくなり、粗さが最小になります。

（２）機能層ではコーティングの硬度と密着性が負に偏っている。最大値はそれぞれ120Vで34.6GPaと117.5Nである。

（３）持ち上げ機能層の負バイアスコーティング応力が増加する。

（４）４５鋼を切断する場合、１２０Vの負バイアス機能層の切断性能が最も優れており、耐用時間は８時間である。

参考文献

[1] 王啓民、黄建、王程勇ほか「高速切削工具への物理蒸着コーティングの研究進捗[J]」、航空製造技術、2013(14):78-83。

[2] Zha Xuming、Wang Tianxiang、Chen Fengbiaoら。チタン合金のフライス加工における超硬工具上の二層微細構造および多層ナノ構造コーティングの疲労衝撃挙動と摩耗メカニズムの調査[J]。International Journal of Refractory Metals and Hard Materials、2022、103：105738。

[3] Mayrhofer PH, Tischler G, Mitterer C. 反応性アンバランスマグネトロンスパッタリング法で成膜したCr-Nコーティングの微細構造と機械的・熱的特性 [J] . 表面＆コーティング技術, 2001, 142-144: 78-84.

[4] 馮玉平、張麗、柯栄賢ら「AlTiN、AlCrN、AlCrSiWNコーティングの熱安定性と酸化挙動[J] .International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2014,43: 241-249.

[5] Tomas Polcar、Albano Cavaleiro.CrAlN、CrAlSiN、AlCrSiNコーティングの高温特性―構造と酸化[J].Materials Chemistry and Physics、2011、129(1):195-201．

[6] Yamamoto K, Sato T, Takahara K, et al. 新しいプラズマ強化アークカソード法で成膜した高Al含有量(Ti,Cr,Al)Nコーティングの特性[J] . 表面＆コーティング技術, 2003, 174: 620-626.

[7] Ravi N,Markandeya R,Joshi S V.ナノインパクトテスト中のnc-TiAlN/a-Si3N4ナノコンポジットコーティングの破壊挙動[J].Surface Engineering,2017,33(4):1-10.

[8] Cheong JY, Ding XZ, Tay BK, et al. 横方向回転陰極アーク法で成膜したCrAlSiNナノ構造コーティングの熱安定性と耐酸化性[J] . Key Engineering Materials, 2010, 447-448: 725-729.

[9] Parlinska-Wojtan M,Karimi A,Cselle T,et al.組成勾配型TiAlSiN薄膜の微細構造に関する従来型および高解像度TEMによる調査[J] .Surface and Coatings Technology,2004,177: 376-381.

[10] Hsien-Wei Chen、Yu-Chen Chan、Jyh-Wei Leeら。「長時間熱処理下におけるナノコンポジットCrAlSiNの耐酸化性」[J]。表面＆コーティング技術、2011、206(7)：1571-1576。

[11] Ziebert C, Ulrich S. TiNおよび/またはZrNを含む硬質多層コーティング：レビューとナノスケール特性評価における最近の進歩[J] .Journal of Vacuum Science and Technology A,2006,24(3):554-583.