合金化對陰極弧蒸發(fā)沉積TI-AL-N和CR-AL-N硬質(zhì)涂層的微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響.pdf

1、金屬切削過程中，涂層刀具表面與工件之間劇烈的摩擦使切削區(qū)域的溫度急劇上升，因而涂層是否具有良好的熱穩(wěn)定性和高溫抗氧化性能是衡量其性能的兩個重要指標(biāo)。由Al替代過渡族金屬氮化物MeN（Me=Zr、Ti、Cr等）中部分Me形成的亞穩(wěn)相MeAlN涂層，因具有高硬度、高熔點(diǎn)和抗氧化性好等優(yōu)良性能，成為刀具涂層的研究熱點(diǎn)。其中，Ti-Al-N和Cr-Al-N涂層相對其它涂層具有更好的高溫抗氧化性能，在切削刀具上應(yīng)用非常廣泛。但是，Ti-Al-N涂

2、層在高于1000℃時轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定六方相w-AlN，使其力學(xué)性能下降，其抗氧化溫度更是低于850℃;Cr-Al-N涂層雖然抗氧化溫度高于1000℃，但其在900℃以上會發(fā)生熱分解而使涂層的力學(xué)性能下降。隨著高速切削加工技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是切削一些難加工材料時，刀具刃口溫度達(dá)到1000℃以上，這一溫度超過了Ti-Al-N和Cr-Al-N涂層的服役溫度。因此，開發(fā)新的涂層材料、進(jìn)一步改善涂層刀具的切削性能成為推動高速切削技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一

3、。
　　本論文首先比較目前通用的兩種刀具涂層制備技術(shù)（陰極弧蒸發(fā)和磁控濺射技術(shù)）的優(yōu)劣，確定高效的涂層工藝。在此基礎(chǔ)上通過在Ti-Al-N和Cr-Al-N涂層中添加合金元素進(jìn)一步改善涂層的力學(xué)及熱性能。本工作所取得的主要研究成果如下:
　　1)相比與磁控濺射沉積涂層的平滑表面，弧蒸發(fā)沉積涂層會出現(xiàn)“液滴”缺陷，因而提高了涂層的表面粗糙度。然而，弧蒸發(fā)沉積方法由于其沉積粒子高的表面擴(kuò)散能力，沉積的Ti-Al-N涂層表現(xiàn)出更致密

4、的結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)更好的高溫抗氧化性能;低的應(yīng)力使其熱分解溫度向低溫方向偏移而擁有高的熱穩(wěn)定性;并最終表現(xiàn)出更優(yōu)異的切削性能。
　　2) Ti-Al-N涂層中添加Si元素促進(jìn)了w-AlN的形成，涂層表現(xiàn)出硬化效應(yīng)，Si的加入阻止了Ti-Al-N的熱分解過程，因此，Ti-Al-Si-N具有更高的熱硬度。Si的加入顯著改善了Ti-Al-N涂層的高溫抗氧化性能，其高溫抗氧化溫度由Ti-Al-N的800℃提高到1100℃以上。
　　3)

5、Ti-Al-N涂層中添加Cr元素后，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)，使涂層的硬度由31.2GPa提高到34.4GPa。因此，雖然Cr的加入促進(jìn)了Ti-Al-N的熱分解過程，但是Ti-Al-Cr-N涂層無論是沉積態(tài)還是高溫退火態(tài)的硬度均大于Ti-Al-N涂層的硬度值。另外，Cr的加入將Ti-Al-N的高溫抗氧化溫度由800℃提高到900℃。
　　4)在高溫時Cr-N涂層中Cr—N鍵發(fā)生斷裂，逐步釋放出N原子，由Cr2N過渡并最終轉(zhuǎn)化為單

6、質(zhì)Cr。在Cr-N涂層中加入Al，形成的Al-N鍵增強(qiáng)了N元素的穩(wěn)定性，從而改善了Cr-N涂層的熱穩(wěn)定性。Al的加入改善了Cr-N的熱穩(wěn)定性，阻止了涂層在高溫氧化時的體積收縮，因此，提高了涂層的高溫抗氧化性能。
　　5) Cr-Al-N涂層中添加Zr元素顯著提升了涂層的熱穩(wěn)定性，其熱穩(wěn)定溫度由Cr-Al-N的900℃提高到1100℃;但在高溫氧化時，Zr的優(yōu)先氧化使Cr-Al-N涂層的高溫抗氧化性能大大降低。
　　研究表明，