【正文】 1）ω（m3在40 N載荷下，保持了MoS2涂層低摩擦的特性。從劃痕照片可以看到，MoS2和MoS2LTi涂層在劃痕周邊有破碎現(xiàn)象，劃痕內(nèi)部較光滑，沒有裂紋和剝落發(fā)生，而MoS2HTi涂層在劃痕內(nèi)部和周邊都沒有裂紋和剝落發(fā)生。（2）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?；w的表面狀態(tài)對附著力有很大影響，基體表面的不清潔將使涂層不能和基體直接接觸，范德瓦爾斯力大大減弱，擴散附著也不可能，會使附著性能很差。 HV比具有柱狀組織的Cr1xSixN涂層的硬度高。熱處理后，涂層主體部分仍保持多層結(jié)構(gòu)，表明涂層的物理性能沒有很大改變。CrTiAlN涂層具有氮化物硬涂層的最引人注目的性能（硬度、韌性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和附著性），并且有優(yōu)異的性能?！《嘣锿繉拥腡EM分析使用透射電子顯微鏡對CrTiAlN涂層的組織結(jié)構(gòu)進行了研究，由圖312可以看出，CrTiAlN涂層為致密的多晶組織，晶粒細小均勻，晶粒尺寸為30～50 nm。 197。CrSiN涂層過渡層的沉積工藝與CrTiAlN涂層過渡層的沉積工藝相似，都是基體/Cr層/CrN層/過渡層的成分變化形式，從球坑圖可以看出，CrSiN涂層與基體之間的Cr/ μm，涂層與基體結(jié)合牢固，因此涂層的附著性優(yōu)異。TiAlN涂層的橫截面形貌與成分深度分布如圖36所示，可看出，涂層組織致密，涂層與基體的界面平整而清晰，涂層成分呈明顯的梯度分布，從基體到表面呈現(xiàn)從Ti層到TiN層再過渡到TiAlN層的過渡形式。表面成分分析發(fā)現(xiàn)，TiAlN涂層中Ti：Al原子比為54：46。不同多元氮化物涂層的附著性等級和臨界載荷見表31。用D/max－RC型X射線衍射儀分析涂層的相組成，分析射線為Cu Kα，采用θ－2θ連動模式。試驗時在40 N和80 N的載荷下進行，軌道直徑分別設(shè)定為10 mm和8 mm， m/s，即轉(zhuǎn)速分別為382 r/min和477 r/min。本文用MH－3顯微硬度計測試涂層的顯微硬度，采用維氏金剛石壓頭，測試載荷為25 g，保持時間為5 s。鋼球直徑D為30 mm，則涂層厚度t用公式（1）計算。　MoS2Ti涂層沉積工藝設(shè)計使用鈦靶和二硫化鉬靶，本底氣壓為2104 Pa，氬氣流量恒為15 sccm，～ Pa，沉積室溫度低于100℃，沉積工藝參數(shù)如表23所示。為了提高涂層與基體的結(jié)合強度，在涂層與基體間制備中間過渡層，用以減小涂層與基體的性能差異所造成的內(nèi)應(yīng)力。封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備的優(yōu)勢：（1）可以在高基體偏壓下對基體進行高效的離子清洗，涂層的附著性優(yōu)良；在較低的基體偏壓下可獲得高密度的低轟擊能離子流，鍍制的涂層致密、晶粒細小、內(nèi)應(yīng)力低、表面光滑、機械性能優(yōu)異；（2）可以方便地更換靶材，各個靶的功率可以單獨控制，有利于制備多元涂層、梯度涂層和多層涂層；（3）可以靈活地更換和控制工作氣體，并通過等離子體發(fā)射光譜監(jiān)控器（Optical Emission Monitor，OEM）自動控制反應(yīng)氣體的流量，能實現(xiàn)合金涂層、氮化物、碳化物、氧化物涂層的沉積；（4）樣品臺可以做三軸轉(zhuǎn)動，減小了濺射沉積的遮蔽效應(yīng)，從而提高了涂層的均勻性；（5）沉積過程由計算機自動控制，具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，適于大規(guī)模生產(chǎn)。對于不同的靶結(jié)構(gòu)，不同的靶功率，不同的基體大小，不同的沉積室結(jié)構(gòu)而言，產(chǎn)生恒流狀態(tài)的條件是不同的。圖21　磁控濺射離子鍍原理圖Fig. 21　Elementary diagram of magnetron sputtering ion plating1－真空室；2－磁控電源；3－永久磁鐵；4－磁控靶；5－磁控陽極；6－真空系統(tǒng)；7－基體；8－偏壓電源；9－進氣系統(tǒng)　磁控濺射離子鍍偏置基體的伏安特性磁控濺射離子鍍涂層的質(zhì)量受到達基體上的離子通量和離子能量的影響?！”菊n題的研究內(nèi)容（1）制備TiAlN、CrTiAlN、CrSiN多元復(fù)合硬涂層，并研究其組織結(jié)構(gòu)與硬度、附著性的關(guān)系?！〉毒邘缀螀?shù)一般說來，涂層刀具當(dāng)后角偏大時會得到更滿意的性能。避免因基體在切削力作用下變形過大而致使涂層產(chǎn)生裂紋或剝落，或因基體脆斷而使涂層刀具破損失效。涂層的導(dǎo)熱系數(shù)小，可防止切削熱大量傳入刀體，起到熱屏障作用，有效防止相變磨損。在較高的切削溫度情況下，刀具前、后刀面上的一些突出點會與工件、切屑發(fā)生粘結(jié)，粘結(jié)點逐漸地被工件或切屑剪切、撕裂而帶走，發(fā)生粘結(jié)磨損。金屬層厚度固定在最小值（4 nm Pb或5 nm Ti），MoSx層厚度為50 nm時涂層的耐磨性最好。Ti/～?！《嘣浲繉覵immonds等[31]用射頻磁控濺射法分別共濺射Au、Ti、Cr、WSe2制備復(fù)合涂層，并研究共沉積物質(zhì)對涂層性能的影響。MoS2涂層在真空或惰性氣體中摩擦系數(shù)低，耐磨壽命高，已被成功地應(yīng)用于真空和太空環(huán)境中[26]。S. Vep?ek等[23,24]提出了納米晶與非晶相超硬復(fù)合材料的概念，他認為在納米晶尺寸小于10 nm時，位錯增殖源不能開動，非晶相對位錯具有鏡像排斥力，可阻止位錯的遷移，即使在高應(yīng)力下位錯也不能穿過非晶相基體。同時，在干鉆灰鑄鐵試驗中，兩種CrTiAlN涂層麻花鉆的壽命都比TiAlN涂層麻花鉆的壽命高[18]。Ti1xAlxN涂層高溫抗氧化性好的原因是：在高溫氧化過程中，鋁離子向表面擴散并形成富鋁的致密氧化層，阻止氧向涂層內(nèi)部進一步擴散，從而提高了Ti1xAlxN涂層的高溫抗氧化性[12,13]。MX型過渡金屬氮化物、碳化物多為NaCl結(jié)構(gòu)，金屬原子M形成面心立方亞點陣，X原子占據(jù)此亞點陣的八面體間隙，由于X原子不一定占據(jù)全部的八面體間隙，這類化合物可以在較大的成分范圍內(nèi)保持面心立方結(jié)構(gòu)。因此，磁控濺射離子鍍已成為涂層沉積的主流技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工模具耐磨涂層、裝飾涂層、防蝕涂層、磁性涂層，并不斷向各個行業(yè)擴大和深化其應(yīng)用，包括光學(xué)元件、醫(yī)學(xué)生物材料、半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料等?！‰娀‰x子鍍電弧離子鍍是20世紀70年代研究出的涂層技術(shù)，它利用固體陰極靶的弧光放電使靶材蒸發(fā)并離化，靶材離子在加有負偏壓的基體上沉積形成涂層。為了提高基體上的離子電流密度（ICD），20世紀90年代，開發(fā)了非平衡磁控陰極。目前，CVD技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金車削類刀具的表面涂層，涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。我國的刀具涂層技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，目前正處于關(guān)鍵時期，現(xiàn)有技術(shù)已不能滿足切削加工日益提高的要求，國內(nèi)各大工具廠的涂層設(shè)備也到了必須更新?lián)Q代的時期。單一材料很難滿足這些性能要求，這就促進了復(fù)合刀具材料的發(fā)展，為刀具涂層技術(shù)的開發(fā)研究和推廣應(yīng)用提供了契機。MoS2Ti涂層不僅與高速鋼基體具有優(yōu)異的結(jié)合性，還能與多元氮化物涂層形成很好的結(jié)合，多元氮化物+MoS2Ti復(fù)合涂層也具有優(yōu)良的附著性。MoS2Ti涂層具有類似非晶的結(jié)構(gòu)，共沉積的鈦原子間隙固溶于相鄰的硫原子層之間，涂層的無序度隨鈦含量的升高而增大。采用封閉場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)制備了TiAlN、CrTiAlN、CrSiN多元氮化物涂層、MoS2Ti涂層以及多元氮化物+MoS2Ti復(fù)合涂層。并把研制的涂層應(yīng)用于多種刀具上，加工結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金和不銹鋼零件。在大氣環(huán)境中的球盤磨損試驗顯示，MoS2HTi涂層的耐磨性比MoS2涂層好，1017 m3N1硬涂層包括：金剛石、類金剛石碳（DLC）、立方氮化硼（cBN）、TiN、TiC、CrN、TiCN、TiAlN、TiBAl2O3等，其優(yōu)點是硬度高，耐磨性好。20世紀60年代末，化學(xué)氣相沉積TiC和TiN涂層技術(shù)已經(jīng)成熟，并大規(guī)模用于涂層硬質(zhì)合金刀片及Cr12系列模具鋼[2]?！R射鍍?yōu)R射鍍通常是利用低壓氣體放電產(chǎn)生等離子體，其正離子在電場作用下高速轟擊陰極靶，濺射出的靶材原子或分子飛向基體表面沉積成涂層。圖11　傳統(tǒng)磁控濺射和非平衡磁控濺射的特性Fig. 11　The character of conventional and unbalanced magnetron sputtering　空心陰極離子鍍空心陰極離子鍍是在空心熱陰極弧光放電和離子鍍技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種沉積技術(shù)。因此，電弧離子鍍被排斥于光學(xué)和電子學(xué)的應(yīng)用范圍，并限制了在精密加工和摩擦學(xué)等方面的應(yīng)用。　耐磨涂層的發(fā)展現(xiàn)狀　硬涂層由于TiN、TiC等單一二元涂層材料難以滿足提高涂層綜合性能的要求，因此涂層材料向多元涂層、多層涂層和納米復(fù)合涂層的方向發(fā)展。如在二元TiN基礎(chǔ)上研制出的一些多元涂層TiCN、TiAlN、TiCrN、TiZrN等均表現(xiàn)出良好的性能。另一方面，CrN的抗氧化性和韌性比TiN好，在涂層的鋁含量不變的情況下，CrTiAlN涂層的抗氧化性和韌性有可能比TiAlN涂層好。絕大多數(shù)多層涂層屬于第一類，如TiN/TiC、TiN/TiAlN、TiN/TiCN/TiC等多層涂層，已成功地應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具上，使用壽命比單一TiN涂層刀具提高一倍以上。按此思路研制的ncTiN/aSi3NncW2N/aSi3NncVN/aSi3N4等納米復(fù)合涂層的硬度高達50 GPa[25]。采用固體潤滑涂層刀具可以實現(xiàn)干切削或減少切削液的用量，從而降低加工費用，并改善環(huán)境。英國Teer涂層公司用非平衡磁控濺射離子鍍法沉積MoS2金屬復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層為非晶體，不呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)。雖然目前成功制備了高性能的MoS2金屬復(fù)合涂層，但是金屬原子在涂層中的存在形式和金屬元素的攙雜對涂層性能的影響機理仍不清楚。TiNMoS2混合涂層的硬度可達到20 GPa，這種復(fù)合涂層具有一定的應(yīng)用潛力[42,43]。在高切削溫度下，刀具與工件、切屑中的元素相互擴散滲透，使刀具材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，硬度和強度下降，促使刀具迅速磨損，這稱為擴散磨損。　固體潤滑作用由于涂層材料的形成自由能低，化學(xué)性能穩(wěn)定，與工件材料的化學(xué)親和力小，可有效地起到抗粘結(jié)的作用。一般情況下，涂層刀具適合加工高硬度的調(diào)質(zhì)材料、高合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼等難加工材料。涂層產(chǎn)品仍以單層TiN涂層為主，少數(shù)合資企業(yè)可生產(chǎn)多元涂層，但也存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。（4）把制備的涂層應(yīng)用于鉆頭、絲錐、銑刀、環(huán)槽刀等工具上，用于加工鋁合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼等材料，測試涂層的使用性能，并研究不同涂層的適用范圍。在離子鍍中實用工藝參數(shù)就是工件的偏壓和偏流密度（離子電流密度）。采用兩個以上的非平衡磁控陰極形成封閉的磁場，是磁控濺射離子鍍技術(shù)中提高等離子體密度的基本措施。W6Mo5Cr4V2高速鋼棒料經(jīng)鍛造、等溫退火后，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)的淬火、回火處理，硬度為64～66 HRC。TiAlN涂層沉積時使用兩個相對的鈦靶和兩個相對的鋁靶，本底氣壓為2～4103 Pa，氬氣流量恒為10 sccm，利用等離子體發(fā)射光譜監(jiān)控器控制氮氣的流量，～ Pa，沉積室溫度低于200℃，沉積工藝參數(shù)如表21所示?！⊥繉有阅軠y試影響涂層耐磨性能的因素很多，一是基體因素，如基體的強度、韌性和表面粗糙度；二是涂層本身性能，如涂層的厚度、硬度、韌性、化學(xué)穩(wěn)定性等；三是涂層與基體的結(jié)合強度，或者說涂層的附著性?！⊥繉佑捕鹊臏y試通常用顯微硬度計測試涂層的硬度，采用維氏或努氏壓頭。本文采用壓痕法和劃痕法測試涂層的附著性。并在顯微鏡下測量出磨痕的寬度。22山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章　多元氮化物涂層的結(jié)構(gòu)和性能研究　多元氮化物涂層的性能測試結(jié)果　多元氮化物涂層的厚度涂層的厚度測量結(jié)果見表31。HF2HF1　圖31　氮化物涂層的典型壓痕照片F(xiàn)ig. 31　Typical indentation image of the nitride coatingsTiAlN涂層的劃痕照片和劃痕試驗的摩擦力－載荷曲線如圖32所示，在劃痕末端，劃痕內(nèi)部及邊界處有涂層剝落現(xiàn)象，此時的摩擦力出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，TiAlN涂層的臨界載荷Lc約為58 N。表32　涂層中合金元素的原子百分比 （at.%）Table 32　Atomic percentage of alloy elements in the coatings （at.%）涂 層CrTiAlSiTiAlN－－CrTiAlN－CrSiN－－涂層中合金元素的比例取決于各靶的濺射速率（R），而濺射速率與靶材的濺射率（S）和入射離子電流（Ii）的乘積成正比?；w與Cr層也存在擴散混合現(xiàn)象。 197。涂層中鉻含量比鈦和鋁的含量高得多，同時固溶鈦原子所引起的晶格畸變度要比鋁原子所引起的畸變度大，因此固溶體相的晶格常數(shù)稍大于CrN的晶格常數(shù)。由此推斷，硅元素的兩種存在狀態(tài)可能都有，大部分硅原子間隙固溶于CrN晶格中，使CrN晶格膨脹畸變，使涂層硬度升高；少部分硅原子偏聚在晶界處形成非晶SiNy相。另外，PVD TiN涂層在400℃時就會發(fā)生氧化反應(yīng)，硬度迅速降低，涂層耐磨性降低。E. Martinez等人認為，對于低硅含量的涂層，硅原子可能固溶于晶格的間隙位置，使晶格在外力作用下變形困難而起到強化效果。本文涂層沉積過程中，室溫沉積使得涂層的晶粒尺寸較小，因此涂層都存在細晶強化的因素。另外，基體與涂層存在一定的性能差異，例如彈性模量或熱膨脹系數(shù)差別過大，會使涂層內(nèi)應(yīng)力過高而引起剝落。Fischerscope動態(tài)硬度儀測試發(fā)現(xiàn)，MoS2Ti涂層的硬度隨涂層鈦含量的增加而升高，MoS2HTi涂層的硬度為980 HV，比MoS2涂層的硬度550 HV高將近一倍?！oS2Ti涂層的摩擦性能圖43顯示了球盤磨損實驗中MoS2Ti涂層分別在40 N和80 N載荷（P）下的摩擦系數(shù)（μ）隨時間的變化。m1，1017 m3氧是濺射沉積MoS2涂層中常見的雜質(zhì)，以MoO3或MoS2xOx的形式存在，MoS2xOx對涂層的性能影響不大，而MoO3會降低涂層的摩擦性能[51]。MoS2（002）衍射峰的中心位置隨鈦含量的增加稍微向