AlCrSi(O)N納米復合結(jié)構(gòu)涂層的制備與性能研究.pdf

1、本文以面向淬硬鋼高速加工刀具涂層為研究背景，首先采用電弧離子鍍技術(shù)制備出具有高硬度、強韌性以及良好熱穩(wěn)定性的AlCrSiN涂層；其次以AlCrSiN涂層為基礎(chǔ)，于涂層中添加O元素從而降低涂層摩擦系數(shù)、提高耐磨性并進一步增強高溫抗氧化性；最后根據(jù)刀具涂層設(shè)計理論，結(jié)合AlCrSiN高硬度、強韌性和AlCrSiON高溫低摩擦的優(yōu)點構(gòu)建新型 AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂層。本文對 AlCrSiN、AlCrSiON及AlTiN

2、/AlCrSiN/AlCrSiON涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能進行了系統(tǒng)的研究，主要研究結(jié)論如下：
　　1)利用電弧離子鍍技術(shù)制備AlCrSiN納米復合涂層，通過基體偏壓的變化能夠有效控制沉積粒子的能量，進而影響涂層的形核生長。升高基體偏壓時涂層表面顆粒尺寸和數(shù)量減少；隨著偏壓的增加涂層的殘余應(yīng)力、硬度、彈性模量和膜-基結(jié)合力均出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在-100 V時均達到最大值。同時，于-100 V偏壓下沉積的AlCrSiN涂層其熱穩(wěn)定

3、性最好。經(jīng)1100 oC退火后，隨著偏壓的升高基體與涂層間的擴散越來越嚴重。此外，600 oC高溫摩擦磨損實驗結(jié)果表明，AlCrSiN涂層其高溫摩擦系數(shù)較大(1.0~1.2)，耐磨性差，這主要是因為涂層氧化磨損造成的。
　　2)為降低AlCrSiN涂層的摩擦系數(shù)、提高其耐磨性，本文于AlCrSiN涂層中添加O元素制備AlCrSiON涂層，研究涂層成分和結(jié)構(gòu)的變化。涂層沉積時由于基體旋轉(zhuǎn)作用， AlCrSiON涂層中出現(xiàn)周期為8 n

4、m的納米多層結(jié)構(gòu)(AlCrSi(O)N/AlCrSi(N)O）。當涂層中 O含量增加，涂層的硬度和殘余應(yīng)力下降。O含量從0增至8 at.％時，涂層結(jié)合力由64 N增至77 N，繼續(xù)增加O含量涂層結(jié)合力降低。摻入適量氧元素（≤16 at.%）可提高涂層的耐磨性，但過量氧摻雜則會破壞涂層的耐磨性。經(jīng)800和950℃退火處理后，AlCrSiON涂層仍保持較好的熱穩(wěn)性及力學性能，但1100℃退火處理后涂層相結(jié)構(gòu)發(fā)生分解導致組織結(jié)構(gòu)變化，使得涂層

5、硬度降低。
　　3)基于 AlCrSiN高硬度、強韌性和 AlCrSiON高熱穩(wěn)定性的優(yōu)點構(gòu)筑新型的AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON多層涂層，并研究其結(jié)構(gòu)和性能以及在刀具切削中的應(yīng)用。添加適量O元素（≤18 at.%）可以提高涂層結(jié)合力，同時涂層硬度維持不變。在高速銑削淬硬鋼實驗中，隨著多層涂層中O含量的增加，涂層刀具的切削壽命先升高再下降。當O元素含量為30 at.%時，該多層涂層呈現(xiàn)出最優(yōu)切削性能，相比于硬質(zhì)合金刀

6、具及AlCrSiN涂層刀具壽命分別提高了~8倍和5倍。
　　綜上所述，于-100 V偏壓下制備的AlCrSiN涂層具有最佳的力學性能和熱穩(wěn)定性，但AlCrSiN涂層高溫摩擦系數(shù)較大，且耐磨性差。添加O元素可降低AlCrSiN涂層的高溫摩擦系數(shù)、提高耐磨性并增強高溫抗氧化能力，AlCrSiON涂層其自組裝納米多層結(jié)構(gòu)可以有效降低涂層的殘余應(yīng)力?；?AlCrSiN高硬度、強韌性和AlCrSiON低摩擦、高熱穩(wěn)定性的優(yōu)點構(gòu)筑的AlTi