【正文】 旋轉鋼球，在涂層表面研磨出一個深至基體的凹坑，如圖24（a）所示。本文主要測試涂層的厚度、硬度、附著性和摩擦性能。TiAlN+MoS2Ti、CrTiAlN+MoS2Ti、CrSiN+MoS2Ti復合涂層是在沉積氮化物涂層后，再把試樣放進另一臺設備中沉積MoS2Ti涂層?！oS2Ti涂層沉積工藝設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。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℃。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）沉積時間（min）1OFF400202OFF15044103100604454100~60604410560754~84~86065075484860/120CrTiAlN涂層沉積時使用兩個相對的鉻靶、一個鈦靶和一個鋁靶，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)控器控制氮氣的流量，～ Pa，沉積室溫度低于200℃，沉積工藝參數(shù)如表22所示。沉積的基本過程為：（1）離子轟擊清洗：沉積室抽真空至本底氣壓為2～4103 Pa，然后通入氬氣，～ Pa，在低的靶電流和高基體偏壓400～500 V下，對基體進行離子轟擊清洗20 min；（2）金屬打底：增加鈦靶（或鉻靶）電流，降低基體偏壓為120～150 V，用具有較高能量的金屬離子轟擊基體表面，促進界面混合；（3）沉積金屬中間層：降低基體偏壓為60 V， μm厚的金屬鈦層（或鉻層），沉積時間5～8 min；（4）沉積二元氮化物層：通入氮氣，氮氣流量由等離子體發(fā)射光譜監(jiān)控器自動控制，沉積TiN（或CrN）層10～20 min；（5）沉積過渡層：基體偏壓為75 V，逐漸增加其它靶的電流，實現(xiàn)由二元涂層向多元涂層的逐漸過渡，沉積時間60 min；（6）沉積多元氮化物層：保持各工藝參數(shù)不變，沉積多元氮化物層，沉積時間60 min或120 min。為了提高涂層與基體的結合強度，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應力。先在金屬清洗液中超聲波清洗15 min除污，然后在丙酮中超聲波清洗15 min脫水。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。因此，選用W6Mo5Cr4V2高速鋼作為涂層基體具有普遍性和實際意義。封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設備的優(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、內應力低、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動，減小了濺射沉積的遮蔽效應，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)定性和可重復性，適于大規(guī)模生產(chǎn)?！D22　封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設備及其示意圖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備，該設備裝有四個磁控靶，試樣與靶面的距離為100～200 mm。封閉磁場能夠對電子進行最有效的約束，使整個沉積室的等離子體密度得以提高。提高偏流密度，實質上是提高基體附近的等離子體密度。對于不同的靶結構，不同的靶功率，不同的基體大小，不同的沉積室結構而言，產(chǎn)生恒流狀態(tài)的條件是不同的。恒壓特性的特點是，靶基距較小時，基體位于距靶面附近的強等離子體區(qū)內，這時偏流為受正電荷空間分布限制的離子電流，偏流始終隨負偏壓的上升而增大，當負偏壓上升到一定程度后，處于恒壓狀態(tài)。偏置基體的伏安特性，即偏壓和偏流關系，可分為兩類：恒流特性和恒壓特性。還要后足夠數(shù)量的離子到達基體，即離子到達比。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量受到達基體上的離子通量和離子能量的影響。氬離子在電場作用下轟擊磁控靶面，濺出靶材原子。12山東大學碩士學位論文第二章　實驗方法及原理　磁控濺射離子鍍原理與設備　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。（3）制備TiAlN+MoS2Ti、CrTiAlN+MoS2Ti、CrSiN+MoS2Ti復合涂層，并研究其性能?！”菊n題的研究內容（1）制備TiAlN、CrTiAlN、CrSiN多元復合硬涂層，并研究其組織結構與硬度、附著性的關系?；诋斍翱萍及l(fā)展和應用的要求，本文嘗試在多元氮化物涂層和MoS2Ti復合涂層的研究和應用方面做出努力。國內高品質刀具主要依賴進口，以汽車生產(chǎn)行業(yè)為例，80%的機加工刀具依賴進口，其價格為國產(chǎn)的幾倍到十幾倍[45]?！”菊n題的背景和由來我國的離子鍍技術起步于20世紀80年代中期，由于缺乏科研和實際應用的有機配合，刀具涂層技術的開發(fā)研究和應用與國外存在相當大的差距?！〉毒邘缀螀?shù)一般說來，涂層刀具當后角偏大時會得到更滿意的性能。但如果機床在切削中振動很大，這時會導致涂層非正常剝落，涂層一旦剝落也就顯不出涂層刀具的優(yōu)越性?！∏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量。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影響涂層刀具的使用性能。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?！∮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取㈨g性、化學穩(wěn)定性、附著性等，主要取決于涂層的成分、涂層沉積設備和沉積工藝。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?shù)乃苄?，這些氧化層可起到極壓潤滑作用。涂層材料的形成自由能低，化學性質穩(wěn)定，可有效防止環(huán)境介質對刀面的化學侵蝕作用，從而起到化學擴散屏障的作用。涂層的導熱系數(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。　耐磨涂層的作用機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、導熱系數(shù)小、耐熱性好、形成自由能低等特點。切削溫度過高，刀具材料被氧化，形成疏松而脆弱的氧化物，導致氧化磨損。當切削溫度超過刀具的最終熱處理溫度時，刀具表層會發(fā)生相變而導致硬度下降，從而加速刀具磨損，這稱為相變磨損。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，粘結點逐漸地被工件或切屑剪切、撕裂而帶走，發(fā)生粘結磨損。C以上，此時刀具磨損的原因不僅是機械擦傷磨損，還有粘結磨損、相變磨損、擴散磨損和氧化磨損?！∧湍ネ繉拥淖饔脵C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)生了強烈的摩擦、熱和化學作用，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。研究發(fā)現(xiàn)[40,41]，在硬質涂層（TiN、TiCN、CrN）上沉積MoS2Ti涂層形成的復合涂層能大大提高加工工具的性能。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。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]?！《鄬榆浲繉佣鄬咏Y構涂層中金屬單層和MoSx單層的厚度一般分別為幾納米或幾十納米。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數(shù)量級[36]。Ti/～。MoS2Ti復合涂層，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，當金屬含量增加時，可觀察到離散的金屬，也可能發(fā)現(xiàn)多層結構，但這種涂層的承載能力有所下降。而Ti、Cr能明顯提高涂層的硬度?！《嘣浲繉覵immonds等[31]用射頻磁控濺射法分別共濺射Au、Ti、Cr、WSe2制備復合涂層，并研究共沉積物質對涂層性能的影響。共沉積的作用為：改善涂層結構，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]。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]。例如，在切削加工中，切削液及其處理費用占加工費用的16%，而切削工具的費用只占4%；另一方面，切削液對環(huán)境的污染較為嚴重，甚至危害工人健康。MoS2涂層在真空或惰性氣體中摩擦系數(shù)低，耐磨壽命高，已被成功地應用于真空和太空環(huán)境中[26]。在保持CrN抗氧化性的同時提高硬度的方法有兩種，一種方法是加入合金元素，形成多元復合涂層；另一種方法就是按照S. Vep?ek提出的設計理念形成納米晶/非晶相超硬復合材料，CrSiN系統(tǒng)可能形成ncCrN/aSi3N4超硬復合材料。納米復合涂層具有高的硬度，良好的機械性能，有望替代現(xiàn)有的一些硬質涂層。這種材料表現(xiàn)為脆性斷裂，強度、硬度與彈性模量成比例，其強度由納米裂紋擴展所需的臨界應力所確定。S. Vep?ek等[23,24]提出了納米晶與非晶相超硬復合材料的概念，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，即使在高應力下位錯也不能穿過非晶相基體。在形狀復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致涂層硬度降低。目前，研究較多的是納米多層超點陣涂層，如TiN/VN[19]、TiN/NbN[20]、TiN/CrN[21]、TiAlN/CrN[22]等超點陣涂層。據(jù)此開發(fā)了多層涂層，多層涂層可分為2類：一類是單層厚度為微米級的多層涂層；第二類是單層厚度為納米級的超點陣涂層。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]。Yamamoto等人[17]，低偏壓時涂層為六方結構，偏壓高于50V時涂層完全為立方結構。為了同時提高TiAlN涂層的機械性能和抗氧化性，向涂層中添加鉻元素。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構涂層，即提高涂層的抗氧化性，又不使涂層的機械性能降低。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，阻止氧向涂層內部進一步擴散，從而提高了Ti1xAlxN涂層的高溫抗氧化性[12,13]。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構，這類涂層具有引人注目的機械性能。20世紀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，而且能夠應用于高速切削刀具[9]。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。MX型過渡金屬氮化物、碳化物多為NaCl結構，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保持面心立方結構。但是TiN涂層硬度（2000 HV）不能適應當前切削加工的需要，同時TiN涂層的高溫抗氧化性較差，在550℃以上時就迅速氧化成金紅石相的TiO2，造成涂層刀具失效?！《嘣餐繉佑餐繉硬牧现?，工藝最成熟、應用最廣泛的