磁控濺射沉積V-N基硬質(zhì)涂層的結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、隨著高速干切削技術(shù)的廣泛應(yīng)用,對刀具涂層的性能提出了更高的要求。如何獲得兼?zhèn)涓哂捕群偷湍Σ料禂?shù)的刀具涂層,是目前涂層開發(fā)中的一個主要挑戰(zhàn)。國內(nèi)外常用的涂層設(shè)計思路是“硬質(zhì)涂層改良法”,即以硬質(zhì)涂層為主體,通過添加潤滑組份來降低摩擦系數(shù)。該思路雖有不同程度的成功,但效果有限。為此,本文提出并成功驗證了一種新的涂層設(shè)計思路,即利用釩基氮化物 V-N高溫潤滑性能良好的優(yōu)點,通過結(jié)構(gòu)調(diào)控(調(diào)幅分解形成周期性納米復(fù)合結(jié)構(gòu))或成分調(diào)控(摻雜適量的A

2、l元素)來提高其硬度,以獲得低摩擦系數(shù)和高硬度的有機(jī)結(jié)合。
　　所有的涂層均采用反應(yīng)磁控濺射方法制備。其中,V-N涂層單獨(dú)用V靶制備,通過工藝參數(shù)調(diào)整(制備溫度或低能離子束輔助)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控。使用V靶和Al靶雙靶共濺射制備 V1-xAlxN(0≤x≤0.67)涂層,通過改變 Al靶功率調(diào)整 Al含量。分別研究了工藝參數(shù)和Al含量對涂層的微結(jié)構(gòu)、硬度、摩擦性能等的影響規(guī)律,并簡要討論了涂層微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。主要研究結(jié)論如下:

3、　?、沤Y(jié)構(gòu)調(diào)控和成分調(diào)控均可大幅提高二元 V-N涂層的硬度。相較于直流制備的VN涂層(硬度僅為11 GPa),兩種調(diào)控可將涂層硬度分別提高250％(35 GPa)和280%(41 GPa)。
　?、圃诮Y(jié)構(gòu)調(diào)控方面。在773 K制備溫度下,使用低能離子束輔助沉積,V-N二元氮化物體系中會發(fā)生相分解,形成 VN晶粒密集鑲嵌于非晶相基體的兩相納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中,VN晶粒的大小為5~10 nm,間距5~10 nm。這是國際上首次在二元氮化

4、物體系內(nèi)發(fā)現(xiàn)該類納米晶/非晶兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)。
　　⑶在成分調(diào)控方面。Al含量對 V1-xAlxN涂層微結(jié)構(gòu)和硬度影響很大。在0≤x≤0.47時,涂層為立方固溶體,其硬度從11 GPa穩(wěn)定上升到33 GPa;當(dāng)0.51≤x≤0.56時,涂層發(fā)生調(diào)幅分解,形成 VN/c-AlN調(diào)制結(jié)構(gòu),硬度進(jìn)一步提高(37~41 GPa)。這是公開文獻(xiàn)首次報導(dǎo)在低溫制備三元氮化物涂層過程中發(fā)生調(diào)幅分解,并形成調(diào)制結(jié)構(gòu)。
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