【正文】 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 m3MoS2Ti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。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。通過引入中間過渡層的方法來提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。MoS2Ti涂層具有優(yōu)異的附著性，臨界載荷Lc＞100 N。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。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。因此，瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)涂層技術(shù)，有計(jì)劃、有步驟地發(fā)展刀具涂層技術(shù)（尤其是PVD技術(shù)），對(duì)于提高我國(guó)的刀具制造水平具有重要意義。國(guó)內(nèi)CVD技術(shù)的總體發(fā)展水平與國(guó)際水平基本保持同步。傳統(tǒng)磁控陰極的磁場(chǎng)集中在靶面附近，磁場(chǎng)將等離子體緊密地約束在靶面附近，基體附近等離子體很弱，基體不會(huì)受到離子和電子的較強(qiáng)轟擊。電弧離子鍍具有離化率高、沉積速率大、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，可以沉積金屬涂層、合金涂層和各種化合物涂層（氮化物、碳化物、氧化物），已廣泛應(yīng)用于涂鍍刀具、模具的硬質(zhì)涂層，是目前應(yīng)用較廣的涂層技術(shù)。較之CVD技術(shù)，PVD技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：沉積溫度在500℃以下，不影響基體材料強(qiáng)度，可用于高速鋼精密刀具的涂層處理；對(duì)環(huán)境無不利影響。理論分析表明，許多晶體結(jié)構(gòu)相同且金屬原子半徑差小于15%的過渡金屬氮化物、碳化物往往可以彼此互溶[8]。據(jù)計(jì)算，AlN在CrN中的固溶度比在TiN中的固溶度大，Makino等人[14,15]沉積得到了x = ?！《鄬佑餐繉佣鄬咏Y(jié)構(gòu)的界面效應(yīng)，可以提高涂層的硬度、改善涂層韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力。另一方面，非晶相可以很好的容納隨機(jī)取向的晶粒錯(cuò)配。近來，MoS2涂層在大氣和高濕度條件下的應(yīng)用正在不斷被重視，從環(huán)境和成本方面考慮，在切削加工、藥品、食品、服裝行業(yè)中，使用固體潤(rùn)滑涂層代替液體潤(rùn)滑劑具有很大的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果顯示，四種共沉積物質(zhì)都明顯提高M(jìn)oS2涂層的摩擦性能，其中WSe2的效果最好，其次為Au、Ti、Cr。而摩擦性能的改進(jìn)是以摩擦系數(shù)的提高為代價(jià)的，摩擦系數(shù)隨Ti含量的增加而增加?！∮曹洀?fù)合涂層軟硬復(fù)合涂層通常有兩種方式，一是層狀復(fù)合，即在硬涂層上再鍍軟涂層；二是混合復(fù)合，即硬質(zhì)相和軟質(zhì)相均勻混合在一起。刀具材料與工件材料的化學(xué)親和力越大，粘結(jié)磨損越嚴(yán)重。而涂層本身的耐熱性好，可保證刀具在較高溫度下的切削作用?！”患庸げ牧贤瑯拥囊话淹繉拥毒?，隨著加工材料的不同，其切削壽命的差別亦很大。如拉刀、鉸刀、磨制鉆頭等精加工刀具，增加后角后，涂層的效果明顯提高。（2）制備不同鈦含量的MoS2Ti復(fù)合涂層，研究鈦含量對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)、性能的影響及機(jī)制。離子必須具有合適的能量，它決定于在放電空間中電離碰撞能量交換以及離子加速的偏壓值。要使沉積速率達(dá)到實(shí)用的要求，必須使偏流既可獨(dú)立可調(diào)，又有較大的密度?！⊥繉釉嚇拥闹苽洹』w材料的選取與基體預(yù)處理W6Mo5Cr4V2高速鋼是最常用的工具鋼，廣泛應(yīng)用于制造各類車刀、銑刀、鉆頭、絲錐和齒輪刀具。　多元氮化物涂層沉積工藝設(shè)計(jì)制備氮化物涂層時(shí)，使用鈦靶、鋁靶、鉻靶或硅靶，工作氣體為氬氣和氮?dú)?。?3　MoS2Ti涂層沉積工藝參數(shù)Table 23　Deposition process of the MoS2Ti coating步驟偏壓（V）Ti靶電流（A）MoS2靶電流（A）MoS2靶電流（A）MoS2靶電流（A）沉積時(shí)間（min）13501~000202150400083100384303~ITi10530ITi80設(shè)定ITi分別為0、三種涂層分別記為MoSMoS2LTi、MoS2HTi，研究鈦含量對(duì)MoS2Ti復(fù)合涂層的性能和結(jié)構(gòu)的影響作用。t ＝xy/D （1）ba 圖24?。╝）球坑儀和（b）球坑法測(cè)量示意圖Fig. 24?。╝）Ball crater machine and（b）schematic diagram of measurement掃描電鏡測(cè)量：用線切割把試樣沿著垂直于涂層表面的方向切斷后，用墊銅片的夾子夾持，對(duì)斷面進(jìn)行研磨和拋光，然后用掃描電鏡進(jìn)行測(cè)量。用Fischerscope H100動(dòng)態(tài)硬度儀測(cè)試涂層的硬度，采用維氏金剛石壓頭，～10 mN。測(cè)試溫度為20℃～25℃，相對(duì)濕度為25%～35%，測(cè)試時(shí)間為1 h或當(dāng)摩擦系數(shù)迅速增大后（即涂層失效）停止。組織觀察與電子衍射相分析在日立H－800型透射電鏡上進(jìn)行，使用的工作電壓為150 kV。多元氮化物涂層的典型壓痕形貌如圖31所示，壓痕周圍的涂層產(chǎn)生了少量的裂紋，但是涂層沒有剝落。CrTiAlN涂層中Cr：Ti：Al原子比為72：11：17?；w與Ti層之間存在擴(kuò)散混合現(xiàn)象。ab　圖38　CrSiN涂層的（a）橫截面形貌和（b）球坑圖Fig. 38?。╝）Cross section and（b）ball crater of the CrSiN coating　多元氮化物涂層的XRD分析X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)現(xiàn)六方結(jié)構(gòu)相的存在，并且涂層有很強(qiáng)的（111）晶面擇優(yōu)取向，其它晶面的衍射峰強(qiáng)度很低，如圖39所示。面心立方結(jié)構(gòu)的CrN、 197。電子衍射花樣也證明了涂層為單一的面心立方結(jié)構(gòu)。顯然，用分立的Cr、Ti和Al靶來制備多元CrTiAlN涂層能夠?qū)⑦@些單金屬氮化物的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。在表層形成的惰性Cr2O3基金屬氧化物薄層是很好的屏障，能防止涂層的進(jìn)一步氧化。原因可能是涂層的晶粒尺寸還沒有足夠小到產(chǎn)生超硬效應(yīng)。因此，本文在沉積前對(duì)基體進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，去油去污，并用超聲波清洗以增加清洗效果。35山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章　MoS2Ti涂層　MoS2Ti涂層的性能測(cè)試結(jié)果　MoS2Ti涂層的硬度三種不同鈦含量的MoS2Ti涂層的的厚度、硬度和附著性測(cè)試結(jié)果如表41所示。從劃痕摩擦力－載荷曲線可看出，MoS2和MoS2HTi涂層的摩擦力－載荷曲線很平滑，而MoS2LTi涂層的曲線中間有轉(zhuǎn)折，具體原因還有待于進(jìn)一步研究。涂層的比磨損率隨鈦含量的升高而降低，1016 m3N1這是由MoS2（002）晶面衍射產(chǎn)生的；另一個(gè)很寬的衍射帶在2θ為30～50176。表43　MoS2Ti復(fù)合涂層的成分 （at.%）Table 43　Chemical position of the MoS2Ti coatings （at.%）涂 層MoSTiOMoS2MoS2LTiMoS2HTi圖44為三種MoS2Ti復(fù)合涂層的XRD譜。m1，這說明通過共沉積鈦可以提高M(jìn)oS2涂層的耐磨性。含鈦涂層的摩擦系數(shù)在實(shí)驗(yàn)的開始階段較大，隨后逐漸減小并趨于平穩(wěn)；而MoS2涂層的摩擦系數(shù)在實(shí)驗(yàn)過程中逐漸增大。MoS2涂層的壓痕周圍的涂層已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的剝落，附著性等級(jí)可評(píng)定為HF4。本文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，　本章小結(jié)（1）研制的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。因此，TiAlN和CrTiAlN的硬度提高的機(jī)制都是置換固溶強(qiáng)化。同時(shí)，在涂層的生長(zhǎng)過程中，硅元素向晶界的擴(kuò)散和偏聚使，涂層的柱狀組織形貌更明顯，并且晶粒尺寸增大，因此涂層硬度降低。同時(shí)，Cr和Al都能形成鈍化氧化層使高溫下具有抗氧化性。具有單一的立方結(jié)構(gòu)，是比較理想的成分。 197。小，這是因?yàn)殇X原子的代替TiN晶體中鈦原子形成置換固溶體，鋁原子的半徑比鈦原子半徑小，因此晶格常數(shù)減小。從圖36和圖37可以看出，與TiAlN涂層相比較，CrTiAlN涂層的金屬層與基體間互擴(kuò)散程度較高， μm的混合層，這說明以Cr為主的過渡層比以Ti為主的過渡層更易于與鐵基體進(jìn)行互擴(kuò)散，從而更有利于提高涂層的附著力，這是CrTiAlN涂層的附著性比TiAlN涂層的附著性好的原因之一。例如在Ar+離子能量為300 eV時(shí)，、[48]。ab圖33　CrTiAlNⅠ涂層的（a）劃痕照片和（b）摩擦力－載荷曲線Fig. 33?。╝）Scratch image and（b）frictionload graph of the CrTiAlNⅠcoatingab圖34　CrTiAlNⅡ涂層的（a）劃痕照片和（b）摩擦力－載荷曲線Fig. 34　（a）Scratch image and（b）frictionload graph of the CrTiAlNⅡcoatingba圖35　CrSiN涂層的（a）劃痕照片和（b）摩擦力－載荷曲線Fig. 35?。╝）Scratch image and（b）frictionload graph of the CrSiN coating研制的多元氮化物涂層的臨界載荷Lc≥58 N，比機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8365－ N高一倍。表31　多元氮化物涂層的性能測(cè)試結(jié)果Table 31　Thickness, hardness and adhesion strength of various nitride coatings涂 層厚 度（μm）硬 度（HV25g）附著性等級(jí)Lc（N）TiAlN2060HF258CrTiAlNⅠ2000HF160CrTiAlNⅡ2450HF160CrSiN2730HF160　多元氮化物涂層的硬度不同多元氮化物涂層的硬度如表31所示，值得說明的是，用MH－3顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層硬度時(shí)，壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度為4～5 μm，比涂層的厚度大，因此實(shí)際測(cè)得的硬度值為涂層與基體的復(fù)合硬度，而涂層的硬度應(yīng)該比實(shí)測(cè)的值高。 （2）式中：Vw為涂層的磨損體積（mm3），d為磨痕軌道直徑（mm），h為磨痕深度（mm），b為磨痕寬度（mm）。 mm的半球型金剛石壓頭，以一定速度在涂層表面滑動(dòng)，同時(shí)在壓頭上連續(xù)地加垂直載荷L，當(dāng)載荷達(dá)到臨界值Lc時(shí)，涂層開始破裂并與基體連續(xù)剝離，用Lc評(píng)價(jià)涂層與基體的附著性。另一方面，小載荷測(cè)試時(shí)，壓痕對(duì)角線的測(cè)量誤差會(huì)很大，硬度值分散性較大，并且硬度值具有載荷依賴性即壓痕尺寸效應(yīng)，因此要根據(jù)涂層的厚度選擇適當(dāng)?shù)妮d荷?！⊥繉雍穸鹊臏y(cè)量氣相沉積涂層的厚度一般為幾微米，不能用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行直接測(cè)