【正文】 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]?！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。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。E. Martinez等人認(rèn)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。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。 197。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。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。本文采用壓痕法和劃痕法測試涂層的附著性?！⊥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。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。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）。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。　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。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]。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)。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]。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?！∧湍ネ繉拥陌l(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。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)。20世紀(jì)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]。N1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。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。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。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?！‰娀‰x子鍍電弧離子鍍是20世紀(jì)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(fù)偏壓的基體上沉積形成涂層。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)。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]。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]。Ti/～。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。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?！”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。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。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。鋼球直徑D為30 mm，則涂層厚度t用公式（1）計算。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。不同多元氮化物涂層的附著性等級和臨界載荷見表31。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。 197。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。 HV比具有柱狀組織的Cr1xSixN涂層的硬度高。（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。在40 N載荷下，保持了MoS2涂層低摩擦的特性。處，其中心約在13176。表42　MoS2Ti涂層的摩擦系數(shù)和比磨損率Table 42　Friction coefficient and specific wear rate of the MoS2Ti coatings涂 層P = 40 NP = 80 Nω（m3而MoS2LTi涂層和MoS2HTi涂層的壓痕周圍的涂層沒有裂紋和剝落現(xiàn)象，說明涂層的附著性優(yōu)良，可評定為HF1。CrSiN的強化機制與TiAlN和CrTiAlN的有所不同，是由于硅原子的間隙固溶而強化。多合金CrTiAlN涂層比單金屬氮化物和二金屬氮化物更耐磨，可能是因為多合金氮化物在苛刻條件下能夠保持硬度、韌性、耐磨性和熱穩(wěn)定性不變。稍大，沒有六方結(jié)構(gòu)的Cr2N或Si3N4相，也沒有發(fā)現(xiàn)單質(zhì)硅。涂層與基體之間有一個平緩的成分和結(jié)構(gòu)過渡，這種過渡可以有效的減緩?fù)繉拥膬?nèi)應(yīng)力在涂層與基體的界面處積聚，有利于提高涂層的附著性。研制的多元氮化物涂層硬度高、附著性好，達到了工業(yè)應(yīng)用刀具涂層的性能要求。則涂層的比磨損率為：ω＝Vw/(P?l) （3）式中：ω為比磨損率（mm3?N1?m1），P為試驗所加載荷（N），l為摩擦副的相對滑動距離（m）。納米壓入儀測試硬度通過測量壓入深度計算硬度值，用計算機自動采樣，無需光學(xué)觀測，可以提高測量精確度。CrSiN涂層沉積時使用三個鉻靶和一個硅靶，本底氣壓為2～4103 Pa，～ Pa，沉積溫度低于200℃。　圖22　封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備及其示意圖Fig. 22　The CFUBMSIP equipment and its schematic illustration圖23　不同磁場分布時偏置基體的伏安特性[46]Fig. 23　Ion current vs. bias voltage for various magnetic arrangements　封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備本文采用英國Teer涂層公司生產(chǎn)的UDP－650型封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備，該設(shè)備裝有四個磁控靶，試樣與靶面的距離為100～200 mm。氬離子在電場作用下轟擊磁控靶面，濺出靶材原子。但如果機床在切削中振動很大，這時會導(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?！∧湍ネ繉拥淖饔脵C理從刀具磨損機理上進行分析，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。因為金屬層的加入阻止了多孔柱狀組織的形成，提高了涂層的致密性[39]。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?；彌散強化，提高涂層耐磨壽命[30]。在形狀復(fù)雜的零件表面沉積超點陣涂層時很難控制每層的厚度，同時在高溫環(huán)境下各層間的元素相互擴散也會導(dǎo)致涂層硬度降低。兩相共存的Ti1xAlxN涂層（～）的X射線衍射峰較低，可能是因為涂層中存在納米晶或非晶結(jié)構(gòu)，這類涂層具有引人注目的機械性能。　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)合起來的技術(shù)，在同一個裝置內(nèi)既實現(xiàn)了氬離子對磁控靶的穩(wěn)定濺射，又實現(xiàn)了荷能鍍料離子在基體負(fù)偏壓作用下到達基體進行轟擊、濺射、注入及沉積過程。射頻濺射的缺點：電源昂貴，射頻輻射泄漏對人體有害。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，刀具涂層工藝越來越成熟，涂層技術(shù)已成為提高刀具性能的重要手段。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。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　耐磨涂層的作用機理和影響因素 9　刀具磨損的原因 9　耐磨涂層的作用機理 9　影響涂層刀具性能的因素 10　本課題的背景和由來 11　本課題的研究內(nèi)容 11第二章　實驗方法及原理 13　磁控濺射離子鍍原理與設(shè)備 13　磁控濺射離子鍍原理 13　磁控濺射離子鍍偏置基體的伏安特性 13　封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(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 16　涂層性能測試 19　涂層厚度的測量 19　涂層硬度的測試 19　涂層附著性的測試 20　涂層摩擦性能的測試 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)濟和社會效益 48　涂層工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟效益 48　涂層工業(yè)應(yīng)用的社會效益 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 51參考文獻 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。m1。涂層技術(shù)可以使刀具獲得優(yōu)良的綜合機械性能，延長刀具使用壽命，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。 MHz的高頻交變電場使氣體放電產(chǎn)生等離子體，射頻濺射既可濺射金屬靶材，也可濺射絕緣靶材。但是，過濾弧源存在的共同缺點是：（1）束流直徑小，通常在200 mm以下，而且不易組成多弧源陣列，使得大面積和大批量的工業(yè)生產(chǎn)不能實現(xiàn)；（2）傳輸效率有待進一步提高，目前彎管結(jié)構(gòu)最高的傳輸效率為25%左右[6]，離子電流只是電弧電流的2%～3%。鋁含量低的Ti1xAlxN涂層為單一的立方結(jié)構(gòu)Ti1xAlxN相，隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量增加，晶格常數(shù)減?。?，Ti1xAlxN涂層中出現(xiàn)較軟的六方結(jié)構(gòu)AlN相，然后隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量降低[10,11]。這類多層超點陣涂層的硬度與周期層厚有很大關(guān)系，當(dāng)周期層厚為幾納米時，涂層的硬度可達到50 GPa。為了提高MoS2涂層在大氣中的摩擦性能，主要的方法是通過共沉積各種物質(zhì)形成MoS2基復(fù)合涂層，共沉積的物質(zhì)有：Au、Pb、Ti、Cr、Zr、W、WSe2等[28,29]。多層結(jié)構(gòu)MoSx/Au、MoSx/Ni、MoSx/Ti和MoSx/Pb復(fù)合涂層在潮濕空氣中的摩擦性能和耐磨性都比純MoS2涂層好[37,38]。由于刀具磨損主要發(fā)生在表面，因此在表面鍍上一層硬度高、耐磨損、化學(xué)性能穩(wěn)定、不易氧化、抗粘結(jié)性好、和基體附著牢固的涂層，對于改善刀具的切削性能，提高刀具的耐用度效果明顯?！C床剛度優(yōu)質(zhì)的涂層刀具在正常切削情況下涂層不會剝落，顯示出優(yōu)良的切削性能。在輔助陽極和陰極