【正文】 一個(gè)衍射帶在2θ為10～20176。N1圖43　MoS2Ti涂層在不同載荷下的摩擦系數(shù)Fig. 43　Friction coefficient of the MoS2Ti coatings at different load球盤磨損實(shí)驗(yàn)中MoS2Ti涂層的平均摩擦系數(shù)（）和比磨損率（ω）如表42所示。圖42為三種MoS2Ti涂層的劃痕照片和摩擦力－載荷曲線。CrTiAlN和CrSiN涂層具有優(yōu)良的綜合性能。涂層之所以能附著在基體上，是范德瓦爾斯力、擴(kuò)散附著、機(jī)械鎖合、靜電引力、化學(xué)鍵力等的綜合作用。通常柱狀晶之間的界面結(jié)合不夠牢固，界面處的非晶SiNy相不足以阻止顯微裂紋的生長。S. Yang等研究發(fā)現(xiàn)[49]，磁控濺射沉積CrTiAlN多層涂層在空氣中900℃下加熱3 h后，涂層的熱穩(wěn)定性和耐磨性沒有降低。CrTiAlN涂層是一種新型涂層，至今還沒有關(guān)于系統(tǒng)研究CrTiAlN涂層合金元素比例的變化對其性能影響的報(bào)道。硅元素可能的存在狀態(tài)有兩種：一是固溶于CrN相中，二是形成非晶SiNy相。兩種不同厚度的CrTiAlN涂層的各衍射峰的位置是一致的，涂層的組成相都是面心立方結(jié)構(gòu)的(Cr,Ti,Al)N固溶體相，沒有發(fā)現(xiàn)六方結(jié)構(gòu)Cr2N相，并且涂層有很強(qiáng)的（111）面擇優(yōu)取向，其它晶面的衍射峰高度都很低，這與低溫沉積有關(guān)，低溫下涂層的沉積是非平衡過程，為了降低相變過程中增加的界面能，容易使低表面能的密排面（111）成為主要生長面。圖38為CrSiN涂層的橫截面形貌和球坑圖，由橫截面形貌圖可以看出，CrSiN涂層組織致密，無空洞等缺陷，而且沒有濺射沉積涂層常有的柱狀組織特征。因此，沉積過程中，靶電流和靶材的濺射速率的不同，造成了涂層中合金元素比例的差異?！《嘣锿繉拥某煞旨敖M織結(jié)構(gòu)　多元氮化物涂層的成分使用能譜儀測試氮化物涂層中除氮元素以外的合金元素的原子百分比，涂層的表面成分分析結(jié)果如表32所示?！《嘣锿繉拥母街酝繉优c基體的結(jié)合強(qiáng)度是影響涂層質(zhì)量的最重要的一種因素?！⊥繉映煞旨敖M織結(jié)構(gòu)分析用JXA－8800R型電子探針分析涂層的成分，并觀察涂層的橫截面形貌。　涂層摩擦性能的測試使用Teer公司生產(chǎn)的POD－2型球盤磨損儀測試涂層的摩擦系數(shù)μ及比磨損率ω，摩擦副為直徑5 mm的WC6％Co硬質(zhì)合金球。另外，其加載力是連續(xù)的，可以給出整個(gè)壓入過程的載荷－位移曲線，通過研究壓入曲線可以獲得涂層的硬度、彈性模量、塑性系數(shù)等力學(xué)性能參數(shù)。在光學(xué)顯微鏡下測出x和y，如圖24（b）所示。在500V基體偏壓下進(jìn)行離子清洗20 min，然后降低基體偏壓沉積Cr層/CrN層/過渡層，最后沉積CrSiN復(fù)合層，CrSiN均勻?qū)映练e時(shí)間為120 min?！⊥繉映练e工藝設(shè)計(jì)依據(jù)涂層設(shè)計(jì)思路，結(jié)合前期的試驗(yàn)工作，制定各種涂層的沉積工藝?；w偏壓電源為脈沖直流電源，頻率為250 kHz，脈沖寬度為500 ns。對于磁控濺射離子鍍，要求偏壓和偏流可獨(dú)立調(diào)節(jié)，且要求偏流穩(wěn)定，這些都只有在恒流狀態(tài)下才能實(shí)現(xiàn)。靶材原子在飛越放電空間時(shí)部分電離，靶材離子經(jīng)基體負(fù)偏壓（30～1000 V）的加速作用，與中性原子一起在基體上沉積形成涂層。本文的研究工作得到山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（032110102）的資助，這為本文的順利完成提供了資金上的重要保障。但需要指出的是，在強(qiáng)烈振動下使用涂層刀具，并非剛開始切削涂層就剝落，這種剝落是在切削中逐漸進(jìn)行的?！』w的性能刀具基體是保持涂層刀具整體強(qiáng)度、支撐涂層的基礎(chǔ)，所以應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、硬度和韌性。涂層材料硬度高，可在刀屑、刀工件界面起到應(yīng)力屏障作用，避免發(fā)生機(jī)械擦傷磨損。工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)，如各種碳化物、氧化物等，在刀具表面刻劃而造成機(jī)械擦傷磨損。研究發(fā)現(xiàn)[34]，當(dāng)MoSx層厚度為20 nm時(shí)，隨金屬層（Ti和Pb）厚度增加，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)升高，耐磨性下降。在大量的切削和成型應(yīng)用中，MoS2Ti復(fù)合涂層顯示出優(yōu)異的效果。由于沉積工藝的不同，復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)分為混合結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)兩種。　軟涂層MoS2具有層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子以共價(jià)鍵結(jié)合，層間以范德瓦爾斯力結(jié)合，在臨近的硫原子層間容易發(fā)生滑動，是常用的固體潤滑材料。　納米復(fù)合超硬涂層納米復(fù)合涂層是由納米晶和非晶相組成的復(fù)合涂層。實(shí)驗(yàn)證明，℃，硬度達(dá)到3500 HV，其耐磨性比TiAlN涂層的耐磨性好。另一方面，高鋁含量的Ti1xAlxN涂層的抗氧化性更好，x = ℃以上[10]。另一種常用的硬涂層為CrN，CrN的硬度比TiN低，耐高溫性和韌性比TiN好。磁控濺射離子鍍可以在涂層與基體的界面上形成明顯的混合界面，提高了涂層的附著強(qiáng)度；可以消除涂層的柱狀組織，生成均勻的顆粒狀組織結(jié)構(gòu)，涂層組織致密，表面光滑。在工具上鍍硬質(zhì)耐磨涂層效果良好，但由于工件架在坩堝的上方，裝卡工件系統(tǒng)比較復(fù)雜，操作麻煩，適合多品種、小批量的生產(chǎn)。磁控濺射利用磁場控制二次電子運(yùn)動，延長其在靶面附近的行程，增加與氣體碰撞的幾率，提高等離子體的密度，從而提高靶材的濺射速率，最終提高沉積速率[3]。20世紀(jì)80年代末，開發(fā)了等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）技術(shù)，降低了化學(xué)氣相沉積的沉積溫度，可對高速鋼刀具進(jìn)行涂層處理。為滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各國制造業(yè)對涂層技術(shù)的發(fā)展及其在刀具制造中的應(yīng)用日益重視。這些新型切削工藝和難加工材料對刀具性能提出了更高的要求，理想的刀具不但應(yīng)具有高硬度、高耐磨性和高溫穩(wěn)定性，而且應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性。保持了MoS2涂層低摩擦的特性。在基體與多元氮化物涂層之間加入Ti/TiN或Cr/CrN中間過渡層大大提高了涂層的附著性， Cr/CrN中間過渡層的效果更好。為了獲得性能優(yōu)良的刀具涂層，本文對多元氮化物涂層和MoS2Ti涂層的進(jìn)行了制備和研究，并在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中對涂層的使用性能進(jìn)行了測試，試圖找到不同涂層的適用范圍。TiAlN、CrTiAlN、CrSiN多元氮化物涂層的硬度都大于2000 HV，其中CrSiN涂層的硬度達(dá)到2730 HV。N1m1. The friction coefficients of the MoS2Ti coatings slightly increase with the Ti content increasing, and the friction coefficients are lower on higher load. The friction coefficient of the MoS2HTi coating is lower than , retaining the low friction character of the MoS2 coating.The MoS2Ti coatings have excellent adhesion strength not only with high speed steel substrate, but also with multiponent nitride coatings. So the MCN+MoS2Ti posite coatings have good adhesion too.Various tools were coated with the different coatings for field test in several factories. For different cutting conditions especially for materials hard to cut, adjusting the coatings position and structure and optimizing the kinds and deposition process. These coatings are proving successfully to increasing the lifetimes of cutting tools by 1~9 times. And the surface qualities of the machined parts are also obviously improved. The industrial applications of the coatings have good economic and social benefits.Keywords: magnetron sputtering ion plating, CrTiAlN, CrSiN, MoS2, coated tools山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章　緒　論　選題的意義切削加工是金屬材料最基本的成型方法之一，在機(jī)械制造業(yè)中起著舉足輕重的作用，而刀具是保證切削加工順利進(jìn)行的關(guān)鍵。軟涂層包括：MoSWS六方氮化硼（hBN）等，其優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，抗粘著磨損性能良好，這類涂層又稱為自潤滑涂層。CVD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：適合鍍各種復(fù)雜形狀的部件，特別是有盲孔、溝槽的工件；涂層致密均勻；涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高。常用的濺射鍍技術(shù)為射頻濺射和磁控濺射。它利用空心熱陰極弧光放電產(chǎn)生等離子體，等離子體的電子飛向陽極坩堝中的鍍料，使其融化、蒸發(fā)、離化，在基體負(fù)偏壓的作用下，鍍料離子和中性粒子轟擊基體并沉積形成涂層。雖然現(xiàn)在已經(jīng)研究出多種磁過濾技術(shù)，可有效減少或消除微細(xì)液滴[4,5]?！《嘣餐繉佑餐繉硬牧现?，工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的是TiN。20世紀(jì)80年代后期，TiAlN作為改善TiN涂層的新涂層材料開始發(fā)展起來，與TiN涂層相比，TiAlN涂層不但具有高硬度和高溫抗氧化性，而且能夠應(yīng)用于高速切削刀具[9]。為了同時(shí)提高TiAlN涂層的機(jī)械性能和抗氧化性，向涂層中添加鉻元素。目前，研究較多的是納米多層超點(diǎn)陣涂層，如TiN/VN[19]、TiN/NbN[20]、TiN/CrN[21]、TiAlN/CrN[22]等超點(diǎn)陣涂層。納米復(fù)合涂層具有高的硬度，良好的機(jī)械性能，有望替代現(xiàn)有的一些硬質(zhì)涂層。但MoS2涂層在潮濕環(huán)境中，其摩擦系數(shù)升高，耐磨壽命降低[27]。然而，當(dāng)金屬含量增加時(shí)，可觀察到離散的金屬，也可能發(fā)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，但這種涂層的承載能力有所下降?！《鄬榆浲繉佣鄬咏Y(jié)構(gòu)涂層中金屬單層和MoSx單層的厚度一般分別為幾納米或幾十納米?！∧湍ネ繉拥淖饔脵C(jī)理和影響因素　刀具磨損的原因在切削過程中，刀具與工件之間發(fā)生了強(qiáng)烈的摩擦、熱和化學(xué)作用，使得刀具切削部分逐漸磨損或局部破損，最終失去切削能力。切削溫度過高，刀具材料被氧化，形成疏松而脆弱的氧化物，導(dǎo)致氧化磨損。在高切削溫溫度下，TiC、TiN等材料可以氧化生成較軟的TiO2膜，Al2O3在800℃以上也具有相當(dāng)?shù)乃苄?，這些氧化層可起到極壓潤滑作用?！∏邢饔昧吭诟叩那邢饔昧康那闆r下，涂層刀具具有較高的壽命和高的耐用度，就這個(gè)意義上講，涂層刀具更適合于高速切削，但在低切削用量下進(jìn)行切削，涂層刀具也具有好的耐磨性，并可得到高的表面加工質(zhì)量。國內(nèi)高品質(zhì)刀具主要依賴進(jìn)口，以汽車生產(chǎn)行業(yè)為例，80%的機(jī)加工刀具依賴進(jìn)口，其價(jià)格為國產(chǎn)的幾倍到十幾倍[45]。12山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章　實(shí)驗(yàn)方法及原理　磁控濺射離子鍍原理與設(shè)備　磁控濺射離子鍍原理磁控濺射離子鍍的工作原理如圖21所示，把沉積室抽至本底真空度2～4103 Pa后，通入氬氣，～ Pa。偏置基體的伏安特性，即偏壓和偏流關(guān)系，可分為兩類：恒流特性和恒壓特性。封閉磁場能夠?qū)﹄娮舆M(jìn)行最有效的約束，使整個(gè)沉積室的等離子體密度得以提高。用電火花線切割成25 mm16 mm3 mm的方塊試樣，、400、600、800、1000、1200金相砂紙研磨，并拋光。表21　TiAlN涂層沉積工藝參數(shù)Table 21　Deposition process of the TiAlN coating步驟OEM值（%）偏壓（V）Ti靶電流（A）Al靶電流（A）Ti靶電流（A）Al靶電流（A）沉積時(shí)間（min）1OFF50000202OFF12040408310060808084100~6045808020565758~48~46065575848460表22　CrTiAlN涂層沉積工藝參數(shù)Table 22　Deposition process of the CrTiAlN coating步驟OEM值（%）偏壓（V）Cr靶電流（A）Ti靶電流（A）Cr靶電流（A）Al靶電流（A）沉積時(shí)間（min）1OFF400202OFF15044103100604454100~60604410560754~84~86065075484860/120CrTiAlN涂層沉積時(shí)使用兩個(gè)相對的鉻靶、一個(gè)鈦靶和一個(gè)鋁靶，本底氣壓為2～4103 Pa，氬氣流量恒為50 sccm，利用等離子體發(fā)射光譜監(jiān)控器控制氮?dú)獾牧髁?，?Pa，沉積室溫度低于200℃，沉積工藝參數(shù)如表22所示。本文主要測試涂層的厚度、硬度、附著性和摩擦性能。為了避免受基體變形的影響，測試涂層硬度時(shí)應(yīng)盡量使用小載荷，減小壓入深度，一般認(rèn)為壓入深度應(yīng)小于涂層厚度的1/7～1/10。圖25　涂層附著性的評定標(biāo)準(zhǔn)Fig. 25　The standard of adhesion strength壓痕法是用HR－150A洛氏硬度計(jì)，使用金剛石圓錐壓頭垂直涂層