（机械设计及理论专业论文）tin气相沉积涂层的摩擦磨损性能研究——硬质合金表面磁控溅射离子镀.pdf

摘要 摘要 t i n 具有硬度高、熔点高、热稳定性好、优良的耐磨性等优点，本文将t i n 涂层镀在硬质合金基体上，并对其力学性能、微观结构、受力分析和摩擦磨损机 理进行了深入系统的研究。 以y t l 5 和y g 6 硬质合金为基体和t i 为过渡层，采用磁控溅射离子镀工艺在硬 质合金刀具上气相沉积上t i n 涂层，并进行了摩擦磨损实验。结果表明：t i n 涂层 刀具的综合机械性能明显优于未涂层硬质合金刀具。 在室温干摩擦条件下对t i n 系列涂层硬质合金刀具进行了淬火4 5 # 钢一刀片摩 擦磨损试验，得出了t i n 系列涂层硬质合金刀具的摩擦磨损特性。结果表明：( 1 ) 未涂层刀具的摩擦系数和磨损率明显高于涂层刀具的摩擦系数和磨损率，在载荷 1 0 0 n ，转速4 5 0 r m i n 条件下，未涂层刀具y t l 5 的摩擦系数约为0 4 2 ，磨损率为 1 4 m g h ，而t i n 涂层刀具y t l 5 的摩擦系数为0 3 1 ，相比降低了2 5 ，磨损率为 1 o m g h ，相比降低了3 0 ，t i n 涂层刀具有很好的减摩抗磨作用；( 2 ) 随着载荷和 转速的增加，摩擦系数呈先下降，后上升的趋势；随着载荷的增加，磨损率呈上 升趋势；随着转速的增加，磨损率呈下降趋势；( 3 ) 沉积工艺相同的情况下，基 体为y g 6 的t i n 涂层刀具的磨损率要比基体为y t l 5 的t i n 涂层刀具的磨损率低3 0 左右。 通过t i n 系列涂层硬质合金刀具摩擦磨损时的s e m 照片分析可知：( 1 ) 在较 小载荷下，涂层摩擦面比较平坦，有较浅的犁沟状磨痕，硬质颗粒脱落形成的凹 坑较小；较大载荷下，涂层摩擦面比较粗糙，磨痕为较宽且较深的犁沟，硬质颗 粒脱落形成的凹坑较大，成片状脱落；( 2 ) 在低速下，涂层摩擦面非常粗糙，有 较深的沟状磨痕和大量硬质颗粒脱落后残留的凹坑；在高速下，涂层摩擦面比较 光洁，磨痕为较浅的犁沟，硬质颗粒脱落形成的凹坑较少，形成片状脱落的区域 也比较少。t i n 系列涂层硬质合金刀具与淬火4 5 # 钢摩擦时的磨损机理是磨粒磨损 和涂层的微剥落。 确定了转速、载荷、润滑条件、刀具种类等因素，并对其在不同水平下进行 了正交分析试验，确定了硬质合金刀片材料的最佳使用条件。 关键词：气相沉积；t i n 涂层；摩擦磨损：正交分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t i nh a sm a i l ya d v a l l t a g e s ，s u c ha u sh i 曲h a r d n e s s ，h i 曲m e l t 洒gp o i n t ，g o o d 1 e r m a l 虬a b i l i t ) r ，e x c e l l e 毗w e a fr e s i s t a n c ea n ds oo n i i l 让l i se s s a y ，as e r i e so ft i n c o a t e dc a r b i d et o o lw e r ed e v e l o p e d ，a i l de x t e n s i v ef e s e a r c l e sw e r ec a i 矗e do u to ni t s m e c h 砌c a lp r o p e n i e s ，m i c r o s t r u c t u r es t r e s ss t a t u sa 1 1 df a i l u r em e c h a n i s m s t i nc o a t m g sw e r ed e p o s i t e do n t oc e m e n t e dc a r b i d ea n dt ii n t e r l a y e ru s i n g m a 鲷e t r o ns p 嘣e r i n gi o np l a t i n gp r o c e s s r e s u l t ss h o wt 1 1 a t ：t 1 1 em e c h a n i c a lp r o p e n i e s o ft i nc o a t i n gt o o l i ss u p e r i o ru i l c o a t e dc a r b i d et 0 0 1 d r yf n c t i o na n dw e a rt e s t sb e t w e e nt i nc o a t e dt o o lw i t hq u e n c h e d4 5 拌s t e e la t r o o mt e m p e r a t u r ew e r ec o n d u c t e d r e s u l t ss h o w e dt 1 1 a tm e 衔c t i o nc o e f 五c i e n ta 1 1 dm e 、e a rr a t e so ft h eu n c o a 沦dt o o l sw e r ek 幽e rt h 蕊t i nc o 镦i n g s n l e 衔c t i o nc o e f f i c i e n t o f u n c o a t e dt o o l sy t l5i s0 4 2a n dt h ew e a rr a t eo fy t l5i s1 4 m g m ，t h e r e f o r et h e 丘 i c t i o nc o e m c i e n to fc o a t e dt o o iy t l5i s0 31a n dm e 、v e a rr a t eo fy t l5i sl 。o m g m t h e 衔c t i o nc o e m c i e n td e c r e a s e da tf i r s ta n dm e ni n c r e a s e d 谢mt h ea p p l i e dl o a da n d t h ei i l c r e a s eo ft l l es l i d i n gs p e e d t h e 、e a rr a t e si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft 1 1 e a p p l i e dl o a d ，d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft 1 1 es l i d i n gs p e e d t i nc o a t i n g sw e r eb e t t e r b o n d e dt 0y g 6c e m e n t d ec a r b i d es u b s t r a t et h a ny t 15c e m e n t e dc a r b i d es u b s t r a t e u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a r n ed e p o s “i o nt e e h m q u e t i nc d a t i n g sw e r eo b s e r v e di na 1 1s e md 面n gt h ea b r a s i v ew e a rt e s t s 、v i m q u e n c h e d4 5 6 s t e e la sc o u n t e r p a r t s e mo b s e a t i o n ss h o w e dt h a t ：谢t hal e s s e rl o a d ， t 1 1 e 衔c t i o ns l 耐a c er e l a t i v e l yf l a t ，w i t hal a 唱e rl o a d ，t 1 1 e 衔c t i o ns u r f a c er e l a t i v e l y r o u 曲；i nl o w s p e e d ，t 1 1 e 衔c t i o nc o a t i n gi sv e 巧r o u 曲，d e e pg r o o v e w e a r 缸a c ka n da l o to fh a r dp a n i c l e s 铀1 i n ga 俞e rt h ew e a u r ，i nt h eh i 曲一s p e e d ，t l l e 衔c t i o ns 删f a c e r e l a t i v e l ys m o o t l l w e a rm e c h 枷s m so ft i nc o a t i n g s 、e r em o s t l ya b r a s i v ew e a r 锄d b r i t l e n e s sb r e a ko fc o a t i n g 。 d e t e m 血1 et l l es p e e d ，l o a d ，l u b r i c a t i o ns t ) r l e ，t h et y p e so fk 1 1 i v e sa n do m e r f a c t o r s o r t h o g o n a la n a l y s i sr e s u l t ss h o wm eb e s tc o n d i t i o n so fm ec a r b i d eb l a d e k e y w o r d s ：p v d ； t i 】nc o a t i n g s ：t r i b o l o g i c a ib e h a v i o r ； o n h o g o n a ia n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：呈垒至垒日期：沙。g 年乡月徊 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南 大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 i一一、 签名：主垒玉垒圭导师签名：芝鱼i ! 塑1 日期：7 砌年乡月t 唯日4 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 摩擦学包含摩擦、磨损和润滑等领域。摩擦导致大量机械能损耗，而磨损则 是机械零件失效的一个重要原因n 1 。 磨损是由摩擦引起的、在日常生活和国民经济的各个领域中普遍存在的现 象，像冶金矿山、建材工业、电力工业、机械工业、农业工业、国防工业以及航 天、航空等等，处处存在摩擦，处处都有磨损瞳1 。 在制造业中首先面对的一个摩擦学难题就是刀具的摩擦磨损问题。刀具是切 削加工中不可缺少的重要工具，无论是普通机床，还是先进的数控机床( n c ) 、加 工中心( m c ) 和柔性制造系统( f m c ) ，都必须依靠刀具才能完成切削加工。刀具的 发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。材料、结构和几何形状是决定刀具 切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会 ( c i r p ) 在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进允许的切削速度每隔1 0 年几乎提高一倍”。刀具材料已从2 0 世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高 性能陶瓷、超硬材料、涂层刀具等，耐热温度已由5 0 0 一6 0 0 提高到1 2 0 0 以上允 许的切削速度已超过1 0 0 0 m m i n 使切削加工的生产率在不到1 0 年的时间内提高 了1 0 0 多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发 展史3 1 。 表面工程是经过表面预处理后，通过表面涂敷，表面改性或多种表面技术复 合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状 态，以获得所需要表面性能的系统工程。各种表面技术是表面工程的技术基础h 1 。 近几十年来，表面技术作为改善材料表面性能的方法，受到人们的日益关注。摩 擦磨损属于表面行为，因此改善表面技术无疑是改善材料摩擦磨损性能的有效手 段。从材料表面来提高耐磨性：一是研究具有良好机械特性的表面改性材料及工 艺手段：二是具有非金属性质摩擦面的摩擦磨损性能及其应用研究哺1 。常用的表 面技术有：堆焊技术，熔结技术，电镀、电刷镀及化学镀技术，热喷涂技术( 火 焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、高能超声速喷涂等) ，涂装技术， 物理与化学气相沉积技术( 真空蒸镀、离子溅射、离子镀等) ，以及化学热处理、 激光相变应化、激光非晶化、激光合金化、电子束相变硬化、离子注入等h 3 。 江南人学硕十学位论文 1 2 课题的研究背景及意义 当前，全球经济正处在一个根本性的变革时期，制造业已发生了革命性的转 变，以数控机床为基础的现代制造技术正朝着高速、干式切削加工的方向迈进， 在该领域中，切肖刀具制造技术的发展至关重要。由于刀具涂层技术可大幅度 地提高切削刀具的综合性能。尤其是近年来超硬薄膜设计概念的提出，在理论上 可有效地改善刀具的高温性能，使涂层刀具应用于高速、干式切削加工成为可能。 与传统的切削刀具相比，涂层刀具的使用不仅能提高工件的加工质量，同时其使 用寿命也得到很大的提高，这可以有效的降低企业的加工成本，同时也为社会创 造了巨大的经济效益。本课题从涂层材料的类别及涂层工艺参数入手，主要研究 涂层的摩擦磨损机理以及不同涂层的摩擦磨损性能。 通过对传统的未涂层切削刀具进行物理气相沉积( p v d ) ，在其表面镀膜，以 提高其硬度及耐磨性，并对镀后的刀具进行摩擦磨损的性能研究，分析其所属何 种磨损现象，并且通过对不同的涂层进行摩擦磨损试验，试图为这些涂层在工业 上的应用提供一些可靠的试验数据作为参考。 1 3 物理气相沉积技术 物理气相沉积酌英文名称为p h y s i c a ly a p o rd e p o s it i o n ，简称p v d 。 物理气相沉积定义：物理气相沉积是一种物理气相反应生长法。沉积过程是 在真空或低气压气体放电条件下，即在低温等离子体中进行的。涂层的物质源是 固态物质，经过“蒸发或溅射 后，在零件表面生成与基材性能完全不同的新的 固态物质涂层口1 。 l3 1 物理气相沉积分类 物理气相沉积技术分为真空蒸发镀、离子镀、磁控溅射镀睛1 。后两种属于等 离子体气相沉积范围。膜层的沉积是在低气压等离子体气体放电条件下进行的， 膜层粒子在电场中获得了较高的能量，使膜层的组织、结构和附着力都比真空蒸 发镀有很大的改进。伴随高科技的发展，各种离子镀、磁控溅射镀新技术相继出 现，拓宽了气相沉积技术的应用领域。表l 列出了它们的特点。 表卜1 真空蒸发镀、离子镀、磁控溅射镀技术特点9 1 镀膜技术真空蒸发镀 离子镀磁控溅射镀 镀膜真空度p a 1 03 1 0 5 2 1 0 2 2 l o 1 膜层离子来源热蒸发热蒸发阴极溅射 工件偏压v 05 0 3 0 0 00 5 0 0 放电状态无辉光放电，弧光放电辉光放电 第一章绪论 沉积粒子能量e v o 0 4 0 21 0 1 0 0 05 3 0 膜一基结合力差好较好 膜层绕镀性差好 好 膜层组织细密多数好，个别粗糙细密 1 3 1 ：1 真空蒸发镀 真空蒸发镀是最早应用的物理气相沉积技术，在光学、半导体器件、塑料金 属化等领域至今仍发挥着重要作用。其英文名称为v a c u u me v a p o r a tio n ，用v e 表示。 真空蒸发镀是物理气相沉积技术中，应用最广泛的一种干式镀膜技术。以电 阻蒸发源真空蒸发镀膜机结构特点和镀膜工艺过程为例，介绍真空蒸发镀技术的 特点。 ( 1 ) 电阻蒸发源镀膜机简介 真空蒸发镀的设备由镀膜室、抽真空系统、蒸发源、基片架、基片加热装置 和轰击电极组成。匹配有蒸发电源、加热电源、轰击电源、进气系统等n 引。 镀膜室上方安装工件( 基片) 架，工件( 基片) 安放在工件( 基片) 架的卡 具上。镀膜室下方设有电阻蒸发源。用高真空机组抽真空，真空度为6 1 0 。3 p a 左右。 电阻蒸发源采用电阻温度系数大的高熔点金属钨、钼、钽等制作。将欲蒸发 的材料安装在蒸发源上。蒸发时，在电极上通以低压电大电流的交流电，使难熔 金属蒸发源升温，将欲蒸镀的材料加热至熔化、蒸发温度。大量的蒸汽原子离开 熔池表面进入气相，按直线方式飞到基片表面凝固成金属薄膜。因此，真空蒸发 镀过程是由镀材物质蒸发、蒸汽原子传输和蒸汽原子在基片表面形核、成长的过 程组成，即包括“蒸发一输运一沉积”过程。 ( 2 ) 电阻蒸发镀工艺过程电阻蒸发镀工艺过程按以下步骤进行u 。 1 ) 安装工件和蒸镀材料。将被蒸发金属安放在电阻蒸发源上、工件安装在 工件架上以后，关上镀膜室。 2 ) 抽真空。开启机械泵，对镀膜室抽真空。当真空度达到6 p a 后，打开扩散 泵高阀，将真空度抽至6 1 0 刁p a 。 3 ) 烘烤加热。开启烘烤加热电源，对工件加热，达到预定温度。对于基材 为玻璃、陶瓷等工件，一般需要烘烤到4 0 0 以上。 4 ) 轰击净化工件。向镀膜室充入氩气，真空度保持2 3 p a 。接通轰击电源， 此时轰击电极产生辉光放电。产生氩离子和高能氩原子。氩离子在轰击电极所加 负偏压的吸引下，加速到达轰击电极，维持辉光放电过程。高能氩原子在镀膜室 内做无规律的运动，由于它也具有很高的能量，因此，对工件也能进行碰撞，将 自身的能量传递给工件。对工件起到清洗作用。所以，即便是非金属，如玻璃、 江南大学硕士学位论文 陶瓷等也能进行清洗，提高工件表面与膜层的结合力。所以，有些蒸发镀膜机中 设置轰击电极。一般轰击电压为1 0 0 0 3 0 0 0 v 。轰击1 0 m i n 后，关闭氩气，将镀膜 室真空度抽至6x1 0 3 p a 。 5 ) 镀膜。开启电阻蒸汽电源，使蒸发源缓慢升温。直到被蒸发金属预熔。 然后迅速加大蒸发功率，使金属很快蒸发出去。由于真空度高，气体分子自由程 远大于蒸发源到工件的距离，因此，膜层原子从蒸发源蒸发出来之后，不会与其 他气体分子或金属蒸汽原子产生碰撞，而是“径直”地射向工件，形成膜层。在 高真空度下，蒸发出来的金属原子以原子态形式飞向工件，得到细密的膜层组织。 6 ) 取出工件。向镀膜室充入大气，取出工件。 ( 3 ) 真空蒸发镀膜技术特点 1 ) 真空蒸发镀过程包括镀材物质蒸发、蒸汽原子传输和蒸汽原子在基片表 面形核、成长的成膜过程组成，即包括蒸发、输运与沉积过程。 2 ) 真空蒸发镀膜的沉积真空度高，一般为1 0 1 0 p a ，气体分子自由程大 约为0 1 1 0 m 数量级。远大于蒸发源到工件的距离蒸发距离。膜层粒子 几乎不与气体分子、其他金属蒸汽原子发生碰撞，径直达到工件。 3 ) 膜层粒子到达基片的能量是蒸发时所携带的热能。真空蒸发镀膜由于工 件不加偏压，金属原子只是靠蒸发时的气化热，大约为0 1 0 2 e v 。因此膜层粒 子的能量低，膜层和基体结合力小、很难形成化合物涂层。 4 ) 真空蒸发镀膜层是在高真空下形成的，蒸汽中的膜层粒子基本上是原子 态，在工件表面形成细小的核心，生长成细密的组织。 5 ) 真空蒸发镀膜膜层在高真空度下获得，一般只在工件面向蒸发源的一面 可以沉积上膜层，工件的侧面、背面几乎沉积不上膜层，绕镀性差。 1 3 1 2 离子镀 离子镀是在真空蒸发镀的基础上发展起来的新技术，将各种气体放电方式引 入气相沉积领域，整个气相沉积过程都是在等离子体中进行的。离子镀大大的提 高了膜层粒子能量，可以获得更优异性能的膜层，扩大了“薄膜”的应用领域。 是一项发展迅速、受人青睐的新技术。 广义来讲，离子镀技术的特点是：镀膜时，工件( 基片) 带负偏压，工件始 终受高能离子的轰击。所形成膜层的膜一基结合力好、膜层的绕镀性好、膜层组 织可控参数多、膜层粒子总体能量高，容易进行反应沉积，可以在较低温度下获 得化合物涂层。 ( 1 ) 离子镀技术的特点“羽 离子镀膜层粒子在电场中获得能量，成为高能离子和原子，在蒸发一输运一 沉积的镀膜过程中，显示出特色。离子镀的成膜过程包括蒸发一辉光放电使金属 第一章绪论 离子化一在电场加速下输运一携带高能量粒子沉积的过程。 与真空蒸发镀膜相比，膜层质量具有以下特点： 1 ) 离子镀膜的膜一基结合力大； 2 ) 膜层组织细密； 3 ) 绕镀性好； 4 ) 结构可控； 5 ) 离子镀技术不足之处。工件施加负偏压虽然赋予离子镀膜有许多优点， 但高的负偏压，也使它具有许多不足之处：膜层粒子所携带的能量过高， 对基材的组织、结构产生一定的损伤：膜层粒子所携带的能量过高，不 适用于低温基材的使用。 ( 2 ) 各种离子镀技术 离子镀技术使膜层粒子总体能量提高，显示了突出优点，扩展了气相沉积技 术的应用领域。也成为1 9 6 7 年以来材料表面改质改性技术探讨和发展的热点。 虽然二极型离子镀的金属离化率很低，只有l 左右，但它已经体现出了很 多优点，在生产实践中已经发挥了很大的作用。如飞机的紧固件钛合金螺钉，为 了提高其抵抗大气、海洋环境的腐蚀，采用电镀技术获得镉镀层。电镀过程中， 容易在镉镀层中残留氢气。时间长了产生“镉脆”。小小螺钉的镉脆引发这个飞 机发生事故。采用离子镀铝的方法，在螺钉表面镀铝镀层。彻底解决了“镉脆” 问题u 3 1 。 人们试图扩大离子镀的应用范围，利用其所具有的高能量获得化合物膜层。 实践中发现，由于离子镀的金属离化率低，只有1 左右，很难进行反应沉积， 不容易获得化合物膜层。因此，出现了多种提高金属离化率的离子镀方法。方向 是增强辉光放电的强度和采用弧光放电。目的是提高等离子体密度，提高金属原 子和高能电子的非弹性碰撞几率，提高金属离化率，获得更多的高能膜层粒子使 之容易与反应气体进行化合，获得化合物膜层。 根据蒸发金属所采用的技术不同和使金属原子产生电离的措施不同，离子镀 技术分为直流二极型离子镀、热阴极离子镀、高频离子镀、集团离子束离子镀、 活性反应离子镀、空心阴极离子镀、热丝阴极离子镀和电弧离子镀等。 根据各种离子镀产生的气体放电方式不同，离子镀技术可以分为辉光放电型 离子镀和弧光放电型离子镀。 1 3 1 3 磁控溅射镀 磁控溅射镀属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源 于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射 下来后，沉积到工件上形成所需膜层。磁控溅射的英文名称为m a g n e t r o n m 学碰【学位论i s p u n e r l n g 。磁控溅射多用于沉积功能膜，一般工件币需要加偏压。而在沉积硬 质涂层时，则工件需要接负偏压电源，称磁控溅射离子镀或偏压溅射。 ( 1 ) 磁控溅射镀设备简舟 为方便对磁控溅射镀全面理解，以安装平面碰拄溅射靶，沉积氯化钛的镀膜 机为例进 j ：介绍。 在平面磁控溅射离子镀膜机中，真空宣壁上安装圆形平面靶。磁控溅射靶接 溅射电源负极，真空审接j 下极。工件接偏压电源的负极，真空室接l f 极。安装对 工件进行烘烤加热的装置及工作气体的进气系统。图l 为磁控溅射离了镀膜机结 构示意图。图中包括台镀膜机所需配套的备系统。 台磁控溅射离予镀膜机由真窄室、真空系统、进气系统、真空度测量系统、 加热系统、工件转架系统和磁挣溅射靶组成。另外配有靶电源、一i 件偏压电源。 磁控溅射靶有平丽形、圆锥形、桩状形。f 而形中，又有圆形、方形。靶材 背后通冷却水。 进行磁控溅射镀膜时，向真空室通入氧气，将真空度控制在( 3 8 ) 1 0p a 。 靶电压4 0 0 6 0 0 v ，开启磁控溅射电源后氩气电离，靶面产生辉光放电。生成的 氟离子在磁控靶所加负电压的吸引下，加速到达靶面。氢离子以很高能量轰击靶 血，产生阴极溅射作用，将靶材原子溅射下柬，沉积i 工件上，形成膜层。磁控 溅射的镀膜过程是“溅射一传输一沉积”的过程。磁控溅射技术中膜层粒子的获 得不是靠热蒸发机制，而是阴极溅射机制。与蒸发镀的膜层粒子相比，磁控溅射 膜层粒子的温度低。 m 1 一l 磷控溅射离r 镀腆目【结构小苣h 第一章绪论 ( 2 ) 磁控溅射技术沉积氮化钛工艺过程 1 ) 安装工件将工件安装在工件卡具上后，关上镀膜室。 2 ) 抽真空开启真空泵，真空度达到6 p a 后，开扩散高泵，真空度抽至 6 1 0 3 p a 。 3 ) 烘烤加热开启烘烤加热电源，对工件加热，达到预定温度。 4 ) 轰击净化向镀膜室充入氩气，真空度保持l 3 p a ，轰击电压1 0 0 0 3 0 0 0 v ，工件产生辉光放电，氩离子轰击净化工件。轰击时间1 0 2 0 m i n 。 5 ) 沉积氮化钛 1 沉积钛底层。将工件偏压降低至5 0 0 v 左右，通入氩气，真空度调至( 3 5 ) 1 0 。1 p a 。开启磁控溅射靶电源。靶面产生辉光放电，高密度的氩离子流从靶 面溅射出钛原子。首先沉积钛底层。 2 沉积氮化钛涂层需通入氮气，真空度在( 5 7 ) 1 0 叫p a 范围。由于平衡 磁控溅射的金属离化率只有5 1 0 ，金属的活性比较低，获得氮化钛等化合 物涂层的工艺范围( 配氮量) 比较窄。与辉光放电相比，欲获得优质氮化钛涂层 时，必须严格控制钛的溅射量以及氩一氮比。否则沉积速率很低，色泽不好控制。 6 ) 取出工件当膜层厚度达到预定要求后，向镀膜室充气。打开镀膜室， 取出工件。 1 3 2 物理气相沉积涂层性能检测及研究 涂层检测的性能一般包括：硬度、孔隙率、结合强度、弹性模量、残余应力 和耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、抗热冲击及电性能等。而涂层的硬度、孔 隙率、残余应力和结合强度对其它性能有着重要的影响，故较多的研究集中在此 方面n 7 1 。 ( 1 ) 涂层外观的测定目检有效表面，应色调均匀，不允许有龟裂、疙瘩、 结合力不牢以及异物的附着或其它对使用上有害的缺陷。 ( 2 ) 厚度的测定采用量具直接测量涂层的厚度，或用金相法测量涂层断 面的厚度，或用无损测量仪测量。按g b 6 4 6 7 或g b l l 3 7 4 的规定执行。厚度应满足 协议要求。 ( 3 ) 附着力测试薄膜附着力的测试方法有弯曲试验法、划线划格后急热 急冷热循环试验法、粘接剥离试验法、粘接一拉伸试验法、划痕试验法。 常用方法有： 1 胶带剥离法将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜表面，在剥离胶带的同 时，观察薄膜从衬底上被剥离的难易程度。一般玻璃基片镀膜后，多采用此种方 法测试膜层的附着力n 驯。 2 划线划格后急热急冷热循环试验法用尖利的工具在薄膜的表面上刻画 江南人学硕士学位论文 出一定规范的格子。然后放在加热炉中加热到一定温度后取出，急速放入冷水中。 冷透后，再加热一再冷却。反复定的急冷急热循环次数后，观察薄膜上格子边 缘的破损情况。可以相对比较不同工业的膜层附着力。 ( 4 ) 涂层显微硬度的测定喷涂涂层的硬度，是涂层的一个重要的物理性能 指标，它对于喷涂层在抗摩擦磨损领域中的应用有重要意义。涂层硬度与材料的 性质是分不开的，但涂层的硬度又不同于所喷涂材料的硬度。由于涂层厚度不是 非常大，故常测其微观硬度。一般而言，硬度越高，耐磨性就越好n 引。 1 3 3 物理气相沉积的发展及其前景 国内p v d 涂层技术的研发工作始于2 0 世纪8 0 年代初，8 0 年代中期研制成功中 小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具t i n 涂层工艺技术。由于对刀具涂层市场 前景的看好，国内大型工具厂开始引进p v d 刀具涂层技术与装备。技术及装备的 引进调动了国内刀具p v d 涂层技术的第一次开发热潮国内各大真空设备厂及科 研单位纷纷展开了离子镀膜机的研制工作，并于9 0 年代初开发出多种p v d 设备。 但由于大多数的设备性能指标低，涂层工艺稳定性差，预期的市场效益未能实现， 从而导致了近十年国内刀具p v d 涂层技术处于徘徊不前的局面n 引。尽管9 0 年代末 国内成功开发出了硬质合金t i n t i c n t i n 多元复合涂层工艺技术，并达到了实 用水平，而c n x 涂层技术也有了重大突破，但其应用价值较为有限，在随后的发 展过程中也并未得到市场认可。随着我国汽车工业的迅速崛起和先进制造技术的 大量引进以及数控加工技术的广泛普及，自本世纪初，p v d 技术在国内掀起了第 二次开发热潮。 近年来在先进表面工程技术中，气相沉积技术是一门发展最快、应用范围宽 广的新技术。在工模具硬质涂层、燃气轮机叶片先进防护涂层、介电膜、低辐射 率玻璃膜、光热转换膜、光电转换膜、信息存储膜、透明导电膜、敏感膜、发光 膜等方面均取得了重大进展。这些技术与人民生活和高新技术密切相关。促进了 节能、节材、降低成本、环保化、生态化技术的发展和各种功能器件的小型化、 微型化、轻量化、便携化。用先进气相沉积技术，迅速形成了规模化的高新技术 产业，对国民经济起了巨大的推动作用。伴随我国高新技术的发展和人民生活水 平的不断提高，气相沉积技术会更加蓬勃发展，发挥更大的作用。 第一章绪论 1 4 材料摩擦磨损的研究现状 1 4 1 摩擦磨损的基础理论研究 1 4 1 1 摩擦 摩擦按摩擦副的运动形式分为滑动摩擦、滚动摩擦和滚一滑摩擦；按摩擦副 的表面润滑状态分为真实干摩擦、干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。干 摩擦是指名义上无润滑的摩擦，其表面上通常具有从周围介质上吸附来的气体、 水汽和油脂的薄膜n 6 1 。 两个相对滑动的固体表面摩擦只与接触表面的相互作用有关，而与固体内部 状态无关，此称为外摩擦。液体或者气体中各个部分之间相对移动而发生的摩擦， 成为内摩擦。而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或者其他表面之间的摩擦，也属 于外摩擦n 7 1 。 1 4 1 2 磨损 磨损是相对运动的接触固体表面上，材料逐渐分离和损耗的过程。鉴于摩擦 学问题的复杂性，西德的c z i c h o s 教授提出了摩擦学系统分析的概念和理论，即 强调材料磨损是受摩擦学系统一系列因素影响的系统问题，必须对其进行综合分 析，才能找到真正引起磨损失效的原因n 8 1 引。 磨损是一个广泛的领域，可以说每一种磨损都有几种性质不同、互不相关的 机理存在，因此分类上也常出现混乱现象脚1 。根据磨损的破坏机理，1 9 5 7 年鲍威 尔提出了将磨损分为粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等四种类型。 ( 1 ) 粘着磨损粘着磨损是由于粘着作用使材料由一表面转移到另一表面 所引起的磨损。由于表面上存在粗糙度，所以表面间的接触是不连续的，即只有 少数几个微凸体产生接触。因此接触面积很小，在外载荷作用下，局部压力很高， 可超过材料的屈服极限，于是接触点便产生了塑性变形。这时，如果没有表面膜， 或者虽有表面膜，但在切向运动时发生了破裂，那么，在常温下也可发生“冷焊”： 另外，在高速、重载和摩擦产生高温的情况下，表面膜极易破坏，金属之间便直 接接触，在接触点局部发生软化或熔化而产生“热粘着 ，形成粘着点。在其后 的相对运动中，粘着点被剪断，与此同时又形成新的粘着点，于是就出现了粘着 点的形成与剪断的循环，并发生材料转移，因而出现粘着磨损。 ( 2 ) 磨粒磨损磨粒磨损是指磨粒或硬微凸体对软摩擦面上的微切削。大 部分磨粒是用负前角进行微切削的。当磨粒或硬微凸体有钝角的时候，摩擦面还 会产生塑性变形，所以在磨粒磨损中，微切削和变形是同时发生的。在此时，表 江南大学硕士学位论文 面层要经受多次加工硬化。 ( 3 ) 疲劳磨损疲劳磨损是由于交变应力使摩擦表面接触区内材料的微观 体积反复产生变形，造成累积损伤而导致疲劳裂纹的萌生和扩展，最后使表面分 离出粒状或片状磨屑，并留下凹坑的一种破坏形式。疲劳裂纹常常在材料表层有 缺陷的地方产生，裂纹产生的确切位置受夹杂物、表面缺陷以及孔隙等因素的影 响。 ( 4 ) 腐蚀磨损当摩擦副工作时。表面金属与周围介质发生化学或电化学 反应并生成反应产物，与此同时，还有机械作用使反应物脱落，这种以腐蚀为主 导的磨损即为腐蚀磨损。 1 4 2 耐磨涂层材料摩擦磨损性能的研究 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂覆一 薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积 法( c v d 法) ，沉积温度1 0 0 0 左右：涂层高速钢刀具一般采用物理气楣沉积法( p v d 法) ，沉积温度5 0 0 左右幢。 常用的涂层材料有t i c 、t i n 、a l ：0 ，等，t i c 的硬度比t i n 高，抗磨损性能好。 对于要产生剧烈磨损的刀具，t i c 涂层较好。t i n 与金属的亲和力小，润湿性能好， 在空气中抗氧化性能比t i c 好，在容易产生粘接的条件下，t i n 涂层较好。在高速 切割产生大热量的场合，以采用a 1 。o ，涂层为好，因为a 1 。o ，在高温下有良好的热稳 定性能。 涂层可采用单涂层，也可以采用双涂层或多涂层，如t i c t i n 、t i c a 1 2 0 。、 t i c a 1 ：0 。一t i n 等。 涂层刀具有比基体高得多的硬度，在硬质合金基体上t i c 涂层厚度为4 5 胁 时，其表层硬度可达2 5 0 0 4 2 0 0 h v ；在高速钢钻头、丝锥、滚刀等刀具上涂敷2 胁 厚的t i n 涂层厚硬度可达8 0 h r c 。涂层刀具有高的抗氧化性能和抗粘接性能，因而 有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。涂层具有低的摩擦系数，可降低切削时的切 削力以及切削温度，可大大提高刀具耐用度。涂层硬质合金刀片的耐用度至少可 提高l 3 倍；涂层高速钢刀具的耐用度则可提高2 1 0 倍以上肫2 | ；加工材料的硬 度愈高，则涂层刀具的效果愈好。此外，涂层硬质合金的通用性广，一种涂层刀 片可代替几种未涂层刀片使用因而可大大简化刀具的管理。近几年来随着机夹 可转位刀具的广泛使用( 有的国家已达硬质合金刀片的9 0 ) ，涂层硬质合金也 得到越来越多的应用( 为可转位刀片的3 0 5 0 ) 。高速钢刀具一般都要重磨， 重磨后的涂层刀具切肖0 效果虽有降低，但仍比未涂层刀具效果好得多。 第一章绪论 1 4 2 1t i n 涂层 t i n 薄膜具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性的特点，是一种理想的刀具涂 层。采用磁控溅射离子镀法( m s i p ) 涂覆t i n 薄膜具有速度快、基体温升小、镀膜 质量高和便于大规模生产等优点。 张春红，张宁研究了高速钢刀具磁控溅射离子镀t i n 涂层的工艺与性能乜3 1 ， 结果表明： t i n 涂层可以有效改善高速钢的硬度和耐磨性，延长高速钢刀具使用寿命。 溅射时间是影响膜层厚度的主要因素，随着时间增加，膜厚、硬度和耐磨性均增 大。氮分压控制膜的相组成，随着氮分压增大，膜厚和耐磨性均增大，而硬度呈 先上升后下降的变化。溅射电流是沉积速率的主要影响因素，随着溅射电流的增 大，膜厚增大，而硬度和耐磨性降低。 李晖，许洪斌等人研究了3 2 c r 2 m o v 钢氮化后离子镀t i n 的摩擦磨损性能口4 1 ， 得到以下一些结论： ( 1 ) 滚动摩擦试验表明氮化后表面沉积t i n 的3 2 c r 2 m o v 钢的磨损特征主要是 磨粒磨损，其耐磨性明显高于仅经氮化处理的3 2 c r 2 m o v 钢。 ( 2 ) 表面沉积t i n 能够有效地降低氮化3 2 c r 2 m o v 钢的摩擦系数减少滚动摩擦 中的磨损。 ( 3 ) 表面沉积t i n 的能够在氮化后的3 2 c r 2 m o v 钢表层形成硬度梯度分布更合 理的高硬度层从而为高硬度的t i n 提供有力的支撑降低了摩擦过程的磨损。 1 4 2 2t i a l n 涂层 在t i n 涂层中引入a l ，使t i a l n 涂层在硬度、耐磨性、高温氧化性及与基体之 间结合力等方面表现出比t i n 涂层更优异的性能，特别是在硬质合金刀具和耐磨 零部件方面有广泛的应用。国内外对高速钢上涂覆的t i a l n 涂层也进行了大量的 研究。为揭示ti a l n 涂层在往复滑动摩擦条件下的摩擦学特性，并开拓其工业应 用。 雷斌，朱昱昊等人研究了t i a l n 涂层往复滑动的摩擦学性能乜5 1 ，结果表明： ( 1 ) 在同样条件下，涂层在摩擦初期的摩擦因数比基体小，跑合期比基体长； 涂层在较多的循环次数下达到摩擦因数的最大值。 ( 2 ) 法向载荷对涂层的表面滑动摩擦因数有一定的影响，法向载荷增大，加 速磨粒的产生，使摩擦因数减小；而位移幅值对涂层的摩擦因数影响不明显。 ( 3 ) 在润滑介质( 乳化液、冷却油) 中，涂层磨损的显著降低，能够使涂层的 寿命大大延长；整个摩擦过程中冷却油的摩擦因数平稳并保持在很低的水平，其 润滑作用明显优于乳化液。 江南人学硕士学位论文 ( 4 ) 基体的磨损机制主要为磨粒磨损，而涂层磨损是剥层和氧化磨损共同作 用的结果。磨痕分析表明，涂层具有较高的耐磨性，对基体起到了保护作用，减 缓了磨损。 1 4 2 3z r n t i n 复合涂层 t i n 、c r n 、t i c n 、z r n 和t i a l n 的涂层刀具几乎占领整个国际涂层刀具市场。 其中z r n 的硬度高于t i n ，其涂层刀具的耐磨性也较高，因此人们考虑以z r n 的高 硬度与t i n 和基体的良好结合力相结合，制备了z r n t i n 复合涂层。 刘建华，邓建新等人研究了z r n t i n 复合涂层刀具的制备及其磨损性能乜6 1 ， 得到以下一些结论： 在硬质合金基体上沉积z r n t i n 复合涂层，提高了硬质合金刀具的硬度， 基体y g 6 、y t l 4 刀具涂层后的显微硬度分别可达2 3 0 0 h v ，2 5 0 0 h v 。涂层厚度分 别为1 5 舯和3 胁。切削试验验证：涂层材料有效降低了涂层刀具切削力，提高 了涂层刀具的耐磨损能力。z r n t i n 复合涂层刀具有效地缓解了硬质合金刀具 的后刀面磨损，涂层刀具的磨损形式主要表现为磨料磨损和粘着磨损。 1 5 课题主要研究内容 硬质涂层在机械工业中，主要是用于切削工具、模具和耐磨损耐腐蚀零件的 表面强化。而切削加工作为机械制造的主要基础工艺，对机械工业的发展又起着 十分重要的作用。硬质涂层能显著提高工具、模具的使用寿命和被加工零件的质 量。所以不断提高硬质涂层工具、模具的的使用性能，努力掌握其应用技术，迅 速扩大其应用范围，能极大地促进机械工业发展。 进入2 1 世纪，切削加工随着机械制造技术发展，也取得了很大的进步。目前 切削加工进入了发展高速切削，开发新的切削工艺和加工方法，提供成套技术为 特征的新阶段，显示出了“三高一专”( 即高效率、高精度、高可靠性和专用化) 的特点3 4 1 。 在现代切削加工中，不论是实现高速切削，提高加工效率和质量，降低成本； 还是解决如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬钢、复合材料、耐磨铸铁、铝合金等难 加工材料的加工难题：或者是达到降耗、节能、有利于环境保护和人身健康的“绿 色制造技术”更新、更高标准，都离不开研究开发新的刀具材料；离不开应用先 进的气相沉积技术。制造性能更好、稳定性更高的涂层刀具、模具、以满足机械 工业迅速发展对切削加工技术提出的新要求。 本课题的主要工作内容有以下几个方面： ( 1 ) 选择不同的材料、参数进行沉积试验，以得到不同性能的镀层刀具： 第一章绪论 ( 2 ) 显微分析：包括沉积前和沉积后的显微分析( 观察其组织结构前后的变 化) ；并测试其沉积前后的表面粗糙度，硬度和镀膜厚度； ( 3 ) 在摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，研究不同载荷、速度、温度下 的摩擦磨损情况，建立摩擦磨损机理，为实际运用提供理论依据； ( 4 ) 根据各种试验数据总结归纳出影响其性能的工艺参数。 江南大学硕士学位论文 第二章实验方案 弟一早头短力荣 t i n 涂层作为耐磨涂层，具有硬度高、摩擦系数低与硬质合金的物理机械性 能参数差异小、良好的抗粘着磨损等特点。徐哲，席慧智等人研究了磁控溅射 t i n 薄膜工艺参数对显微硬度的影响心 ，其工艺流程及方法如下： 溅射t i n 薄膜使用了高真空磁控溅射气相沉积装置。靶材选用纯度为9 9 9 9 金属t i 靶，尺寸为0 6 0 姗3 m m 。工作气体为纯度9 9 9 9 的a r 气；反应气体 为纯度9 9 9 9 的n ：气，通过直流反应磁控溅射来沉积氮化钛薄膜，基片与靶材 之间的距离为8 5 c m 。溅射之前，硬质合金刀片用金刚石研磨膏抛光，经无水酒 精和丙酮各超声波清洗1 5 m i n 后干燥放进镀膜室。用机械泵和分子泵将工作室内 的气压抽至l 1 0 一p a ，极限真空为l 1 0 。5 p a ，气压值由电离管来测量。当真空 度达到1 1 0 4 p a 往真空室内充入工作气体氩气和反应气体氮气，气体的流量由 质量流量计来控制，单位是i i l l s ，总压由压强控制仪来控制，设定为l p a 。达到 设定参赛，打开溅射靶对应电源，起辉后，清洗靶材表面5 m i n ，用计算机控制 打开挡板，开始溅射基体试样。为准确考察各参数影响，将所有试样都溅射6 0 m i n ， 达到溅射预定时间后，断开电源，辉光熄灭，关闭气体，关闭加热电源，关闭分 子泵、机械泵。最后，把制备好的薄膜样品从溅射室内取出来，编号封装，以待 进行性能的检测。 本文以硬质合金刀具材料为基体，在刀具表面磁控溅射t i n 薄膜，将涂层刀 具与淬火4 5 # 钢组成摩擦副，对它们的摩擦磨损特性进行详细的试验研究。 2 1 涂层刀具的制备 2 1 1 基体的选择 本实验