TiAlN基单层及纳米多层涂层制备和微观结构、力学性能研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 18.2MB 59 页 15积分
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第一章 绪论
第一章 绪论
§1.1引言
进入新世纪,全球经济快速发展,机械制造业在其中占着举足轻重的地位,而
金属切削加工首当其冲,随着数控技术及切削刀具的不断发展,金属切削技术取得
了迅速的发展和更加广泛的应用。由于机械加工效率高,而且环境污染少,高速切
削和干切削技术成为切削加工的主流,但在实际金属切削中遇到了许多问题,如随
切削速度的升高,切削温度升高过快、磨损量增大,刀具寿命大大缩短,因此要求
刀具具有高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制
性的性能。所以,研究和开发适用于高速切削和干切削的刀具,推动高速切削和干
切削技术的发展,有着极为重要的意义。
刀具磨损机理研究表明,刀具磨损的主要原因有以下几点[1,2]
(1)刀具表面受到工件中或者切屑中微小硬质点以及积屑瘤碎片的划伤而造成的
磨损;
(2)刀尖温度高时,刀具和工件在相互接触过程中,发生化学元素扩散,使刀具
表面变脆使刀具加速磨损;
(3)刀具与切屑之间由于很大压力和强烈的摩擦,发生瞬间焊接,又被切屑打碎
等过程造成的磨损;
(4)刀具与工件之间的粘着磨损;
(5)温度较高时,刀具表面的一些成分与氧气发生反应,生成较软的氧化物,随
后又脱落的氧化磨损;
(6)切削速度高时,由于高温导致刀具软化而造成的回火磨损。对于高速钢刀具
来说,当刀尖温度超过550℃时,非常严重;
(7)由于刀尖负荷过大以及刃口热裂纹造成的崩刃和切削时在接触区产生热电势
可以加速磨损等。
因此刀具在切削过程中存在七种主要的磨损机理[3]:磨料磨损、扩散和溶解磨
损、冷焊磨损、粘着磨损、氧化磨损、热电磨损、表面的塑性变形、以及切削刃的
塑性破坏。实际上,在切削过程中刀具的磨损现象十分复杂。特别是在高速切削时
刀刃温度高可达900℃,此时刀具磨损机械、热的和化学的综合作
结果影响刀具的使用寿命。刀具磨损主要发生在刀具表面,因此在刀具表
上一硬度高、高温、磨损、化学性能稳定、不氧化、粘着性好
基体有很好结合力的涂层是改善刀具切削性能和寿命很好的方法涂层技术正是
求发展来的一种质表面性技术,刀具基体与硬质涂层结合
而刀具涂层用表现为[4]
1)在刀具与被切削料之间形成隔离层切削区到刀片的热导来降低
热冲降低刀具的温度;
(2)由于涂层具有较的摩擦数,可有效少摩擦力及摩擦热;
(3)高刀具的硬度,使刀具更锋利得更好的加工表面;
(4)较少磨损,高刀具寿命。
因此刀具涂层处理,实现了固体润滑少摩擦和粘,使刀具吸收热量
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TiAlN 基单层纳米层涂层和微观结构、力学性能研究
少,而可受较高的切削温度;由于基体保持了良好的性和较高的强度,
又具有高磨性和摩擦因数;涂层刀具表现了表面硬度高,磨性好,化学
性能稳定氧化,摩擦数小和热率等特性,用性广,加工范围
显著扩大,一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用,因而可以显著减少刀具的
种和存量,化刀具理,降低刀具和设备高了切削效率,与未涂涂
刀具相寿命高了3—5刀具发展中的一次革命,自从涂层刀具
问世以来,刀具技术有了快速发展,涂层刀具成为现刀具的标志。因此将涂层
技术、切削加工工、刀具为切削刀具制造领域关键技术[5]
涂层刀具很好的足了现切削加工的要。近年来,我国的刀具涂层技术得
到了快速的发展,每年15%的速率增,2009年国内涂层刀具消耗2.5亿
元,目前全球切削工具的市场规模约110亿美元,新数控机中有80%左右切削刀
具中使用涂层刀具。涂层刀具在美国肯纳金属公司瑞典山维克公司的使用比例
80-85%以上,美国数控机上使用硬质涂层合金刀具比例80%瑞典车削加工
使用的硬质涂层合金刀具为70 %80 % ,铣削加工也已达50 %以上,德国车
涂层刀具占70%以上,涂层刀具在刀具中的大,因此可以看出涂层
具应用的广泛性和研究刀具涂层的有着重要意义[6,7]涂层技术的发展决定了切削
技术的发展,对现制造业的发展水平起到重要影响,因此,有要对
涂层开展系统深入的研究。本课为上海市科委科攻关计项目—“密/
切削加工关键技术研究 08110511600)的子课题,在此研究背景提出
我国发进涂层技术的发展与尝试
§1.2涂层涂层技术
§1.2.1涂层的制备方法与分
般情况下,刀具涂层技术主要分为:一、化学气相(CVD)
物理气相(PVD)
CVD通过化学反应的方式用加热、等离子激励光辐射种能,在反
器内使气蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉
物的技术,基本原理是沉积物以原离子、分等原子尺度的形料表面
积,形成金属或化物的涂层
化学气相积的类型:1)按沉积温度可分为温(200-500℃)、中温
500-1000℃)和高温(1000-1300℃CVD;2)反应器壁的温度可分为热壁方
和冷壁方式CVD;3)反应器内的压力可分为常压CVDCVD;4)
激活方式可分为热激活和等离子体激活CVD主要点有:1)需涂层源
相对容易;2)利用化学反应可以意控制涂层成,而制得许多新的涂层
料;3)涂层基体之间具有很高的结合强度,涂层厚度可79um;4)生长温
显著低涂层组成物质的点,所得涂层均匀性好,具有台阶覆盖性能,适
复杂形基板;5)涂层具有良好的磨性能;6)淀积速率高、涂层针孔少、
高、致、形成晶体缺陷较少。点:1)涂层是在很高的温度下积而成,由于
涂覆温度高,使涂层基体之间容易产生一脆性的脱碳层,导致刀具变形和
强度的下;2)涂层内部应力状态,使用中导致微裂纹的产生,影响刀具
性能;3)CVD排放气、废液会造成工业污染,对环境有一定影响[8]
PVD是通过气相反应过程使发或溅射出来的金属原发生气相反应,而在
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第一章 绪论
刀具表面所要求的化物,其机理真空条件下,用物理的方法(蒸发或
溅射等物理形式)将涂层材化成原、分或电离子过气相过程在硬
金的表面积成涂层
物理气相类型主要有真空蒸溅射法点:1)涂层内部的应力
状态是压应力,更适应于硬质金精复杂刀具的涂层;2)涂层沉积温度,一
在600℃以下,对刀具料的抗弯强度影响很小;3)对环境不造成污染;4)制成的
涂层纯度高、质量好,度可较准确控制;5)随着纳米涂层现,PVD涂层刀具
质量显著提高,不具有结合强度高、硬度高和氧化性能好等点,能有效地
控制精刀具刃口形及精度。但存在不少点:1)涂层设备复杂、工要求高
积速率涂层时间长,使得刀具的成增加;2)生产的刀具性能、硬度
均匀比CVD技术生产的刀具,使用寿命也比CVD技术生产的刀具短;3)涂层
刀具几状单一,使用领域;4)易产生应力和微裂纹[9]
真空蒸发制备涂层是一种制备涂层般方法将基在气压10-2Pa
下的真空室中,后加热料,使其原或者分子从表面气化逸出,形成蒸汽流,
片表面,凝结形成固态涂层
真空蒸发制备涂层设备主要由真空蒸真空抽系统两成。
空蒸室内装支架片、、被发的料等。近年来,真空蒸发制
备涂层除提系统真空度、改抽气为系统、加强工过程控等之,主要的
上。如:多发或者顺序可以制造成分复杂或者多
合涂层用电加热或者激光加热可以低蒸汽压物质;用陶瓷
坩埚可以制或者避免料与加热发生化学反应,如BN坩埚;反应蒸涂法
以制涂层或者涂层成分对原料的[10]
溅射备涂层是真空室中,用荷能表面,使被击出
基体积的技术,即利溅射现象制取涂层
在19世纪50年代,在进体放时,法拉第发现玻璃
有金属积现象,当时对种现象的原因不得其解,以为的现象。
1902Goldstein的研究玻璃内壁上金属积现象是正离子
2030年60年
BellWestern Electric公司合作利溅射制取了成电用的Ta涂层,实现
了在工业上的应用。1965IBM公司研制出射溅射法溅射方法实现了制
绝缘体材涂层时,现了轴磁管溅射装溅射装而实现
了高真空溅射备涂层。1974J.Chapin使高速、溅射成为了现实,引
溅射备涂层在技术和工业领域革命性的变
传统真空蒸发制备涂层溅射备涂层具有多面的点。如,在
大面积连续基体板上可以制取均匀涂层涂层基体结合力强;可以进反应
溅射、制取多种化涂层便的制和高点物质的涂层容易控制涂层
的成分,可以制取种不成分和涂层便于工业化生产,于实现
化、动化等。由于溅射方法可以在任何材基体任何材料的涂层
、新着非常重要的
[11,12]
溅射机制W.CrooksStark提出。主要有种:一种的热发机
制。HippelSommermeyerTownes提出种机制。溅射是由于表面
得来的能量使受热造成高温,致使子蒸发的结果一过
3
TiAlN 基单层纳米层涂层和微观结构、力学性能研究
是“标的能量转移过程。一种动量转移机制。StarkTownes溅射
是通过入子同表面碰撞产生动量传递而引的。入的动量转移
面的原,使原子放出一过程是“的动量转移过程。大量的研究
表明动量转移机制是正确的。TEM结果结果都证实了种机制
的存在。特别是Sigmund碰撞级联理论的建立,为应用技术的发展建立了一较好
溅射是最常用的一种溅射方式所有涂层均在此上制。不论
金属TiA1还是绝缘Al2O3SiO2是射
可以溅射绝缘料。1-2溅射原理1-2可以到下是两
1-
2-基体
3-
4-
5-
6-
7-磁铁
1-2溅射原理
个永久磁铁而形成了
表面的线,所加的电E)与B)相互直,在电的相
用下,二次沿跑道跨线螺旋线动,而增加了与气
碰撞机率,电产生的正离子从而十分有效的表面,使基体受等离子
体直接的基体的温度升高的较和损伤较小。由于此方法效率较高,工
压力可降低0.1-0.01Pa甚至,因此可以少工对被溅射出的原
射作用,涂层积速率和结合强度[13,14]
§1.2.2 涂层的研究
现的涂层是单涂层管它提高了刀具的性能,长了刀具的寿命,
使金属加工刀具有了命性的变,但由于加工技术的快速发展,对刀具涂层提
了许多了新的性能要求,因此涂层足,多元、多层涂层随之产生。在
涂层中加入新的元素,如CrZrVHf等大大的高了刀具的综合性能;
同涂层材料的性能和切削件,涂覆涂层组合,以发涂层优越
性能。如:TiC/TiN涂层TiC涂层的硬度高和磨性好,TiN涂层良好的
月牙洼磨损性能和化学稳定性。A12O3涂层高温氧化性等很多良的性能,
A12O3基体结合强度较,为此在基体先沉积一TiNTiC,可以
A 1
2O3涂 层 结 合 强度。其层涂层
及 等[15,16]可以看出层涂层、多元较涂层在多
有了更高的,还有超硬涂层,如:金刚石涂层涂层CNX
;软涂层;随着纳米技术的发展,现了纳米涂层,使涂层有了长足的大发展。
4
第一章 绪论
随着切削技术的快速发展,涂层刀具在其中扮演着重要的角色,为了足机械
加工的要,世界各国在不断的研究新的涂层技术,涂层研究热点有以下六个
面:
(1)结构复杂,温度更高的涂层。现在切削加工着高速切削、干切削
切削、硬料切削和精工件切削等发展,温度成为影响涂层刀具使用寿
命的主要原因,因此涂层的高温性能、涂层刀具的硬性成为开发
的热点,而使涂层成分变的更为复杂,更具对性。如CemeConTINALOX
涂层MetaplasA1TiN—saturn涂层具有的高温性能,结构也更复杂,并已
应用于高速、干切削加工领域[17]
(2)随着纳米技术蓬勃发展,纳米技术优越性能被应用到涂层中,现了
米涂层纳米涂层主要有种:纳米层涂层纳米合涂层纳米层涂层
由多数的原半径和化学常数相各单层材成,可能得到与
各单层涂层的性能显著的全新涂层纳米层涂层的性能与有很
大的关系,当在较小时,会出现超硬效应,大大高了刀具的硬度、化
稳定性、热性等,使涂层有了质的飞跃纳米层涂层结构主要有方式
1) 金属A1N纳米层/金属化物纳米层;2)金属A1N纳米层/金属AlCN纳米层;3)
金属化物纳米层/金属AlN纳米层及金属AlCN纳米层如:VN/TiA1N纳米
涂层[18]5.6nm时,硬度和达最38.4 GPa 421 GPa
TiN/AlN纳米涂层[19]24nm时,A1NNaC1结构现超
硬效应,大大涂层的性能,涂层显微硬度到30~40GPa,其氧化温度
1000℃[20],又如:纳米涂层TiN/SiO2[23]中的非晶晶化与TiN共格外延生长,
超硬效应,硬度高44.5 GPa纳米合涂层是在多上由德国学者
Veprek[21-23]提出的,它是一种非覆纳米结构。如:Platit公司
发了新一(nc—TiAlN)/(a—Si3N4)纳米合涂层,其硬度可50GPa,且高温
硬度更十分,当温度到1200℃时,其硬度值仍保持30GPa[24]
(3)软涂层刀具的发展,为新型涂层刀具的设计提了新思路和更为广
发展间,涂层刀具在特使用件下,刀具表面固体润滑转移到工件料表
面,形成转移膜,使切削过程中的摩擦发生在转移膜润滑之间,因而具有
的摩擦学特性,如 、 及 [25]
(4)多元、多层涂层结构及其相技术的现,使刀具涂层高与基体
结合力,又能具有多种涂层材料的综合物理机械性能,足不同材料、不
加工件的要求。因此后刀具涂层的使用比例会越少、多元、多层涂层
的应用比例会不断增加,涂层成分于多元化、多化。如:层涂层
、 等; 三层涂层
和 等;又如
Tizit切削加工公司生产的TiC/TiCN/TiN/陶瓷组合涂层,本三涂层公司生产
TiC/殊陶瓷/A12O3涂层德国Widia公司涂层
美国VR/Wesson公司生产 涂层 [26]
(5)涂层艺组合化。以前单涂层无法适应现切削加工中日趋复杂
5
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的工件,为此,涂层化的工艺组合便而生。渗氮/PVD”
涂层艺组合的一种。
(6)涂层基体结构度化。由于基体涂层的热膨胀数不涂层
程中可能因热应力而产生变形而使其裂纹。涂层材料的脆性,在涂层表面容易产生
裂纹基体中扩展。为了可能防止裂纹扩展而导致刀具的寿命的降低
得高性能的切削硬质金刀具,可对硬质基体行梯[27]
§1.3 TiA1N硬质刀具的研究现
§1.3.1 TiA1N单层涂层
20世纪80年代以来,防护镀TiN涂层人们的重对其制
结构、性能等进了大量的研究。研究结果表明,TiN具有硬度高、摩擦
磨性能好的特点,因而被广泛应用到机械、化工、电力以及航天
汽车领域。但其有应用温度不高,性脆,不点。因此人们在其中
加入了Al就现了TiA1N,由于加入了Al元素,TiA1N不但在硬度、磨性
TiN,而且大大改善涂层高温氧化性,其氧化温度由TiN600℃
高到800℃以上。TiA1N以其优越的性能,引了世界各国的广泛逐步
TiN更新替代涂层材[28,29]
TiA1N具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、摩擦数小、导热率腐蚀
良特性。其性能与结构密不可分。当Al了面心立方结构TiN
Ti成了NaCl心立结构TiAlN由于Al的原半径
0.143nmTi的原半径0.146nmrAl<rTi,所以TiN变到TiAlN时,
变,常数变小[33]。当Al量超过一程度后,涂层晶体结构发生变,
形成AlN纤锌矿结构即部Ti方结构AlN中的Al。研
究表明,TiAlN结构比TiN更加紧凑,使得TiAlN涂层在硬度等许多性能上均优
TiN涂层AlTi1-xAlxNx<52%
数)时涂层为面心立方结构NaCl晶体结构AlTiNTi的位;当
52%<x<59%(原分数)时,由NaCl晶体结构方结构AlN结构组成;
59%<x<86%(原分数)时,方结构AlN结构组[30]Al高,
容易形成Ti2AlN相,(200)增强,(111)常数随A1
量的增加而[31]
§1.3.1.1 硬度
由于A1的加入,TiAlN涂层结构发生变化,因此硬度等性能发生了变化。
A1量在0~30%(原分数)变化时,硬度增大后小,如表1-1。当
WAl=25%时,硬度38GPa远远TiN涂层的硬度24GPa。在此范围内
TiAlNNaCl的面心立方结构,随A1量的增大,能和原变化不大,
而受子密度(VEC影响很大,VEC涂层度和化学成分
,大量的Ti+4Al+3代替VEC降低而引硬度增大,当A1到一
程度时,由于涂层晶体逐渐铝含量的过度和,而引硬度下
[32]A152~70%变化时,是先增大后小。当WAl=60%时,硬度
38.5GPa,此时晶体结构已发生变化,硬度的升高主要是晶粒细化所致;当
70%时,由于生成了较软的AlN相,导致硬度迅速下[33]。随着涂层技术的发
展和进,TiAlN涂层的性能不断升,有研究报道封闭的非衡磁
可制备出Ti0.5Al0.5N涂层硬度高40GPa [34]
6
摘要:

第一章绪论第一章绪论§1.1引言进入新世纪,全球经济快速发展,机械制造业在其中占着举足轻重的地位,而金属切削加工首当其冲,随着数控技术及切削刀具的不断发展,金属切削技术取得了迅速的发展和更加广泛的应用。由于机械加工效率高,而且环境污染少,高速切削和干切削技术成为切削加工的主流,但在实际金属切削中遇到了许多问题,如随切削速度的升高,切削温度升高过快、磨损量增大,刀具寿命大大缩短,因此要求刀具具有高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性的性能。所以,研究和开发适用于高速切削和干切削的刀具,推动高速切削和干切削技术的发展,有着极为重要的意义。刀具磨损机理研究表明,刀具磨损的...

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作者:陈辉 分类:高等教育资料 价格:15积分 属性:59 页 大小:18.2MB 格式:DOC 时间:2024-11-19

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