【正文】 涂層技術(shù)可以使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，延長(zhǎng)刀具使用壽命，允許使用更高的切削速度，從而提高加工效率和加工精度，降低加工成本。涂層刀具是在韌性較好的刀具基體上制備一層或多層耐磨涂層，使刀具既有較高的韌性，又有很高的硬度和耐磨性。隨著機(jī)械制造業(yè)對(duì)高生產(chǎn)率、高質(zhì)量、低成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的追求，高速切削、干切削和硬切削等新型切削工藝已成為當(dāng)前切削技術(shù)發(fā)展的主流。研制的多種涂層在多家企業(yè)選擇了多種刀具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)不同切削加工條件，特別是難加工材料，調(diào)整涂層成分、結(jié)構(gòu)，優(yōu)化涂層種類(lèi)和工藝，使工具使用壽命提高了1～9倍，被加工零件表面精度也明顯提高，達(dá)到了國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。m1。MoS2Ti涂層具有優(yōu)異的附著性，臨界載荷Lc＞100 N。劃痕試驗(yàn)表明，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，TiAlN涂層的臨界載荷Lc＝58 N，CrTiAlN和CrSiN涂層的臨界載荷Lc＞60 N。通過(guò)引入中間過(guò)渡層的方法來(lái)提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文目　錄摘　要 IABSTRACT III第一章　緒　論 1　選題的意義 1　耐磨涂層的制備技術(shù) 2　化學(xué)氣相沉積 2　物理氣相沉積 2　耐磨涂層的發(fā)展現(xiàn)狀 5　硬涂層 5　軟涂層 7　硬軟復(fù)合涂層 9　耐磨涂層的作用機(jī)理和影響因素 9　刀具磨損的原因 9　耐磨涂層的作用機(jī)理 9　影響涂層刀具性能的因素 10　本課題的背景和由來(lái) 11　本課題的研究?jī)?nèi)容 11第二章　實(shí)驗(yàn)方法及原理 13　磁控濺射離子鍍?cè)砼c設(shè)備 13　磁控濺射離子鍍?cè)?13　磁控濺射離子鍍偏置基體的伏安特性 13　封閉場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備 15　涂層試樣的制備 16　基體材料的選取與基體預(yù)處理 16　涂層沉積工藝設(shè)計(jì) 16　涂層性能測(cè)試 19　涂層厚度的測(cè)量 19　涂層硬度的測(cè)試 19　涂層附著性的測(cè)試 20　涂層摩擦性能的測(cè)試 21　涂層成分及組織結(jié)構(gòu)分析 22第三章　多元氮化物涂層的結(jié)構(gòu)和性能研究 23　多元氮化物涂層的性能測(cè)試結(jié)果 23　多元氮化物涂層的厚度 23　多元氮化物涂層的硬度 23　多元氮化物涂層的附著性 23　多元氮化物涂層的成分及組織結(jié)構(gòu) 26　多元氮化物涂層的成分 26　多元氮化物涂層的XRD分析 28　多元氮化物涂層的TEM分析 30　討論分析 32　本章小結(jié) 34第四章　MoS2Ti涂層 35　MoS2Ti涂層的性能測(cè)試結(jié)果 35　MoS2Ti涂層的硬度 35　MoS2Ti涂層的附著性 35　MoS2Ti涂層的摩擦性能 37　MoS2Ti涂層的成分及組織結(jié)構(gòu) 38　討論分析 40　多元氮化物+MoS2HTi復(fù)合涂層的附著性及分析 40　本章小結(jié) 42第五章　涂層的工業(yè)應(yīng)用 43　涂層在汽車(chē)生產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用 43　涂層在鋁合金加工業(yè)的應(yīng)用 44　涂層在不銹鋼加工業(yè)的應(yīng)用 47　涂層工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益 48　涂層工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益 48　涂層工業(yè)應(yīng)用的社會(huì)效益 49　本章小結(jié) 50第六章　結(jié)　論 51　結(jié)論 51　本文的創(chuàng)新點(diǎn) 51參考文獻(xiàn) 52致　謝 57攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文 58IV摘　要涂層技術(shù)是提高刀具性能的重要手段。測(cè)試了涂層的硬度、附著性和摩擦性能，研究了涂層的成分和組織結(jié)構(gòu)與其硬度、附著性和摩擦性能的關(guān)系。CrTiAlN和CrSiN涂層具有優(yōu)良的綜合性能。MoS2Ti涂層的硬度隨鈦含量的升高而提高，MoS2HTi涂層的硬度為980 HV，比MoS2涂層的硬度550 HV高將近一倍。MoS2Ti涂層的摩擦系數(shù)隨鈦含量的升高而稍微增大，并且高載荷下摩擦系數(shù)較小。關(guān)鍵詞：磁控濺射離子鍍，CrTiAlN，CrSiN，MoS2，涂層刀具ABSTRACTCoating technique is an important means to improve performance of cutting tools. For preparation of coatings with excellent properties, multiponent nitride (MCN) coatings and MoS2Ti posite coatings were prepared and investigated in this thesis. And performances of these coatings were tested in practical industrial application, attempting to discover the better applicable cases of various coatings.TiAlN, CrTiAlN, CrSiN multiponent nitride coatings, MoS2Ti coatings and MCN+MoS2Ti posite coatings are prepared by closed field unbalanced magnetron sputtering ion plating. Incorporating interlayer and transition layer in order to improve the adhesion strength of the coatings. The effects of coating position and texture on coating hardness, adhesion and tribological properties were investigated. Various tools coated with the different coatings were applied to cutting constructional steel, aluminum alloy and stainless steel parts.All hardness of the MCN coatings is higher than 2000 HV. The hardness of CrSiN coating reaches to 2730 HV. Scratch tests indicated that the MCN coatings have good adhesion. Critical load (Lc) of the TiAlN coating is 58 N. Critical load (Lc) of the CrTiAlN and CrSiN coatings are high than 60 N. The CrTiAlN and CrSiN coatings have good mechanical properties. Incorporating Ti/TiN or Cr/CrN interlayer and transition layer can greatly improve adhesion of the MCN coatings, and the Cr/CrN interlayer has better effect.The MoS2Ti coatings are quasiamorphous structure. Codeposition titanium atom is in the space between the sulfur planes forming an interstitial solid solution of Ti in MoS2. Disorder of the coatings enhance with the increase of Ti content. The MoS2Ti coatings have excellent adhesion (Lc＞100 N). The hardness enhance with Ti content increasing. The hardness of the MoS2HTi coating is 980 HV, about twice of that of the MoS2 coating (550 HV). Pin on disc tests in atmosphere showed that the MoS2HTi coating is more wear resistant than the MoS2 coating. The specific wear rate of the MoS2HTi coating is 1017 m3同時(shí)，各種高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕和耐高溫的工程材料愈來(lái)愈多地被采用，它們中多數(shù)屬于難加工材料，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前難加工材料已占工件的40%以上[1]。常用的耐磨涂層可分為兩大類(lèi)：硬涂層和軟涂層。隨著化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）技術(shù)的發(fā)展，刀具涂層工藝越來(lái)越成熟，涂層技術(shù)已成為提高刀具性能的重要手段?！∧湍ネ繉拥闹苽浼夹g(shù)　化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積硬涂層的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)中期，聯(lián)邦德國(guó)金屬公司在工模具表面上得到了TiC涂層。正是這些缺陷限制了CVD的廣泛應(yīng)用?！∥锢須庀喑练e常用于制備耐磨涂層的PVD技術(shù)有：濺射鍍、空心陰極離子鍍、電弧離子鍍、磁控濺射離子鍍。射頻濺射的缺點(diǎn)：電源昂貴，射頻輻射泄漏對(duì)人體有害。而非平衡磁控陰極的磁場(chǎng)大量向外發(fā)散，將等離子體范圍擴(kuò)展到基體（如圖11所示），形成大量離子轟擊，直接干預(yù)基體表面涂層沉積過(guò)程，改善涂層的性能?？招年帢O離子鍍廣泛應(yīng)用于裝飾、刀具、模具、精密耐磨件的涂層處理。目前存在的主要問(wèn)題是，從靶表面飛濺出微細(xì)液滴，在基體上冷凝致使涂層組織不均勻、表面粗糙度增加。　磁控濺射離子鍍磁控濺射離子鍍是把磁控濺射和離子鍍結(jié)合起來(lái)的技術(shù)，在同一個(gè)裝置內(nèi)既實(shí)現(xiàn)了氬離子對(duì)磁控靶的穩(wěn)定濺射，又實(shí)現(xiàn)了荷能鍍料離子在基體負(fù)偏壓作用下到達(dá)基體進(jìn)行轟擊、濺射、注入及沉積過(guò)程。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)外PVD技術(shù)得到迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，到80年代末，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高速鋼復(fù)雜工具進(jìn)行PVD涂層處理的比例已超過(guò)60%[7]。但是TiN涂層硬度（2000 HV）不能適應(yīng)當(dāng)前切削加工的需要，同時(shí)TiN涂層的高溫抗氧化性較差，在550℃以上時(shí)就迅速氧化成金紅石相的TiO2，造成涂層刀具失效。這就可以借鑒鋼的合金化思路，在二元涂層中加入合金元素，形成多元涂層，以提高涂層的綜合性能。兩相共存的Ti1xAlxN涂層（～）的X射線衍射峰較低，可能是因?yàn)橥繉又写嬖诩{米晶或非晶結(jié)構(gòu)，這類(lèi)涂層具有引人注目的機(jī)械性能。因此，向TiAlN涂層中加入適量的鉻，可以獲得更高鋁含量的立方結(jié)構(gòu)涂層，即提高涂層的抗氧化性，又不使涂層的機(jī)械性能降低。Yamamoto等人[17]，低偏壓時(shí)涂層為六方結(jié)構(gòu)，偏壓高于50V時(shí)涂層完全為立方結(jié)構(gòu)。據(jù)此開(kāi)發(fā)了多層涂層，多層涂層可分為2類(lèi)：一類(lèi)是單層厚度為微米級(jí)的多層涂層；第二類(lèi)是單層厚度為納米級(jí)的超點(diǎn)陣涂層。在形狀復(fù)雜的零件表面沉積超點(diǎn)陣涂層時(shí)很難控制每層的厚度，同時(shí)在高溫環(huán)境下各層間的元素相互擴(kuò)散也會(huì)導(dǎo)致涂層硬度降低。這種材料表現(xiàn)為脆性斷裂，強(qiáng)度、硬度與彈性模量成比例，其強(qiáng)度由納米裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力所確定。在保持CrN抗氧化性的同時(shí)提高硬度的方法有兩種，一種方法是加入合金元素，形成多元復(fù)合涂層；另一種方法就是按照S. Vep?ek提出的設(shè)計(jì)理念形成納米晶/非晶相超硬復(fù)合材料，CrSiN系統(tǒng)可能形成ncCrN/aSi3N4超硬復(fù)合材料。例如，在切削加工中，切削液及其處理費(fèi)用占加工費(fèi)用的16%，而切削工具的費(fèi)用只占4%；另一方面，切削液對(duì)環(huán)境的污染較為嚴(yán)重，甚至危害工人健康。共沉積的作用為：改善涂層結(jié)構(gòu)，提高涂層致密性；避免氧化吸潮，提高涂層的抗?jié)裥阅?；彌散?qiáng)化，提高涂層耐磨壽命[30]。而Ti、Cr能明顯提高涂層的硬度。MoS2Ti復(fù)合涂層，與純MoS2涂層相比，硬度更高，附著性更好，耐磨性更好，耐濕性能更好，而且保持了純MoS2涂層的低摩擦系數(shù)[33,34,35]。然而，Ti/，涂層的耐磨性變的很差，與含Ti較少的試樣相比，其比磨損率增加了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)[36]。因?yàn)榻饘賹拥募尤胱柚沽硕嗫字鶢罱M織的形成，提高了涂層的致密性[39]。研究發(fā)現(xiàn)[40,41]，在硬質(zhì)涂層（TiN、TiCN、CrN）上沉積MoS2Ti涂層形成的復(fù)合涂層能大大提高加工工具的性能。C以上，此時(shí)刀具磨損的原因不僅是機(jī)械擦傷磨損，還有粘結(jié)磨損、相變磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損。當(dāng)切削溫度超過(guò)刀具的最終熱處理溫度時(shí)，刀具表層會(huì)發(fā)生相變而導(dǎo)致硬度下降，從而加速刀具磨損，這稱(chēng)為相變磨損?！∧湍ネ繉拥淖饔脵C(jī)理從刀具磨損機(jī)理上進(jìn)行分析，涂層提高刀具切削性能的原因有[44]：　耐磨屏障作用常用涂層材料都具有硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐熱性好、形成自由能低等特點(diǎn)。涂層材料的形成自由能低，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可有效防止環(huán)境介質(zhì)對(duì)刀面的化學(xué)侵蝕作用，從而起到化學(xué)擴(kuò)散屏障的作用?！∮绊懲繉拥毒咝阅艿囊蛩赜绊懲繉拥毒呤褂眯阅艿囊蛩刂饕幸韵聨追矫妫骸⊥繉拥男阅芡繉拥男阅苋缤繉拥挠捕?、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性、附著性等，主要取決于涂層的成分、涂層沉積設(shè)備和沉積工藝。被加工材料的硬度、切削加工性和與涂層材料的親和力等因素會(huì)影響涂層刀具的使用性能。但如果機(jī)床在切削中振動(dòng)很大，這時(shí)會(huì)導(dǎo)致涂層非正常剝落，涂層一旦剝落也就顯不出涂層刀具的優(yōu)越性。　本課題的背景和由來(lái)我國(guó)的離子鍍技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代中期，由于缺乏科研和實(shí)際應(yīng)用的有機(jī)配合，刀具涂層技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究和應(yīng)用與國(guó)外存在相當(dāng)大的差距。基于當(dāng)前科技發(fā)展和應(yīng)用的要求，本文嘗試在多元氮化物涂層和MoS2Ti復(fù)合涂層的研究和應(yīng)用方面做出努力。（3）制備TiAlN+MoS2Ti、CrTiAlN+MoS2Ti、CrSiN+MoS2Ti復(fù)合涂層