（材料学专业论文）脉冲n离子束辅助电弧离子镀沉积tialn膜层的研究.pdf

? 1 ，jijfjf 、 t 户 ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a ls c i e n c e 1 u l ll ii l lii l l l l l l l l l l l l l i i y 1717 2 7 6 t h ea r ci o np l a t i n gd e p o s i t i o no ft i a i n f i l ma i d e d b yp u l s en i o nb e a m b yl vs h u g u o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uc h a n g s h e n g p r o f e s s o rz h a n gg a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l 2 0 0 9 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：吕毋阖 日期：划7 7 牛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 导师签名： 签字日期： 面豸弋 础1 叶 ，。 东北大学博士学位论文 摘要 脉冲n 离子束辅助电弧离子镀沉积t i a l n 膜层的研究 摘要 t i a i n 膜层具有高的硬度、高耐磨性、低的摩擦系数、膜基良好的结合力，特别具 有稳定的抗高温氧化的特点得到了广泛的应用，尤其在切削加工领域。t i a l n 膜层刀具 是现在膜层刀具的标志。目前沉积t i a l n 膜层工艺有反应磁控溅射、射频磁控溅射、电 弧离子镀、电子束离子镀、离子束辅助沉积。在各种沉积技术中，电弧离子镀技术以其 鲜明的技术特点成为工业应用中的主流技术。相对于其它沉积技术，具有成膜速度快、 膜层致密、膜基结合力强的特点，但电弧离子镀的沉积原理基于冷阴极弧光放电，这就 决定了在膜层表面不可避免地存在“大颗粒 。这些“大颗粒”的存在，不但在膜层中 形成了硬度软点，而且遮挡了后续原子的沉积，致使膜层的硬度和膜基结合力下降，降 低了膜层的使用性能。因此，“大颗粒”的存在严重地限制了电弧离子镀技术的进一步 应用和发展。 本文旨在将脉冲离子束技术引入到电弧离子镀技术中，即采用不同能量的脉冲n 离 子束对电弧离子镀沉积的t i a l n 膜层进行不同阶段的轰击，消除膜层表面的“大颗粒 、 提高膜层的硬度和膜基结合力，进而提高膜层的使用性能。轰击的不同阶段包括：( 1 ) 电弧离子镀沉积膜层之前，脉冲n 离子束对基材的预轰击处理；( 2 ) 电弧离子镀沉积时， 脉冲n 离子束的辅助沉积；( 3 ) 电弧离子镀沉积结束，脉冲n 离子束的后处理轰击。 本文采用u v n0 5 d 2 i 俄罗斯离子束辅助电弧离子镀沉积设备，在高速钢w 1 8 c r 4 v 基材上沉积t i a i n 膜层，利用n 离子束对电弧离子镀沉积t i a l n 膜层的三个不同沉积 阶段进行轰击。利用扫描电镜( s e m ) 及附带的能谱分析( e d a x ) 、粗糙度仪、原子 力显微镜( a f m ) 、x 射线衍射分析( x r d ) 、a s e 4 3 0 s 俄歇电子能谱仪、显微硬度 计、划痕实验机、摩擦磨损实验机、硅碳棒热处理炉以及盐水静态腐蚀实验等分析手段， 对不同能量的脉冲n 离子束轰击的基材和膜层进行研究分析，得到如下研究结果： 电弧离子镀沉积膜层之前，脉冲n 离子束对基材的预轰击处理。脉冲n 离子束轰 击使基材表面原有的划痕消失、表面重熔，得到了光滑、致密、厚度约为2 2 5g m 的改 性层。当轰击能量为5 k e v 时，改性层由( c r ，f e ) 、c r n 、c r 2 n 和f e n 相组成；当轰 击能量为1 0 k e v 时，改性层的( c r ，f e ) 相结构不变，c r 2 n 衍射峰减弱，c r n 、f e n 衍 射峰增强；当轰击能量为1 5 k e v 时，f e n 衍射峰消失，出现f e 2 n 衍射峰，c r 2 n 衍射峰 东北大学博士学位论文 摘 继续减弱，c r n 衍射峰继续增强。当n 离子轰击为1 0 k e v 时，改性层的粗糙度最低r a 0 显微硬度最高达1 2 3 0 h v o o l 。 电弧离子镀沉积时，脉冲n 离子束的辅助沉积。n 离子束辅助轰击，明显降低了 层中“大颗粒”的数量和尺寸，得到了光滑、连续、致密的t i a i n 膜层。随着n 离 轰击能量的增加，膜层的相组成没有发生变化，只是t i 2 a 1 n 相逐渐向( y i ，a 1 ) n 转变，t i 2 a 1 n 取向逐渐减弱，而( t i ，a i ) n 相逐渐增强，由低晶面指数( 1 1 1 ) 向 晶面指数( 2 0 0 ) 和( 2 2 0 ) 生长。在膜层沉积初期，n 离子束轰击，拓展了过渡层的宽 度。过渡层的存在提高了膜层的硬度和膜基结合力。当基材未采用n 离子束预轰击处理， 直接在基材上电弧离子镀沉积t i a l n 膜层，其硬度为1 9 0 0 nh v o o l ，膜基结合力为3 5 n ， 而含有过渡层的t i a l n 膜层，其硬度升高到2 1 0 0h v o o l ，膜基结合力增大到5 5 n 。n 离 子束轰击，改变了膜层成分的含量，即增加了n 元素含量，降低了a l 元素的含量。当 n 轰击能量为7 5 k e v 时，膜层组成为t i o 6 3 m o 3 7 n ，此时膜层的硬度由n 离子轰击能量 为0 k e v 时的2 1 0 0h v o 0 l 升至最高为2 5 3 0h v o o l ，膜基结合力由n 离子轰击能量为0 k e v 时的5 5 n 增加到最高为8 0 n 。摩擦磨损实验表明，n 离子束轰击能量为7 5 k e v 时，膜 层的摩擦系数由原始的0 3 降至0 1 3 ，膜层的耐磨性增加了两倍以上。高温氧化试验表 ” 明，n 离子束轰击明显提高了膜层的抗高温氧化性，使膜层的抗氧化温度由原始的7 0 0 提高到8 0 0 。盐水静态腐蚀实验表明，n 离子束轰击明显提高了膜层的耐腐蚀能力， 使膜层的耐腐蚀性提高了两倍以上。 电弧离子镀沉积结束，脉冲n 离子束的后处理轰击。n 离子束轰击消除了膜层表面 的“大颗粒”，凹坑变得浅而平整，膜层连续、光滑、致密，膜基界面由清晰变为模糊。 n 离子束轰击在膜基界面处形成了一定厚度的扩散层，该扩散层是膜基结合力提高的主 要原因。n 离子束轰击没有改变膜层的相组成，膜层中的t i 2 a 1 n 相向( t i ，a 1 ) n 相转 变，t i 2 a i n 相取向减弱，( t i ，a i ) n 取向增强，由低晶面指数( 1 1 1 ) 向高晶面指数( 2 0 0 ) 和( 2 2 0 ) 生长。摩擦磨损实验表明，n 离子轰击能量为5 k e v 时，膜层表面出现轻微的 磨损，膜层尚未脱落。高温氧化实验表明，n 离子轰击能量为5 k e v 时，膜层表面完好， 只是颜色略深。盐水静态腐蚀实验表明，当n 离子轰击能量为5 k e v 时，膜层表面腐蚀 较轻微，没有出现大量的腐蚀针孔。 通过脉冲n 离子束对电弧离子镀沉积t i a l n 膜层不同阶段的轰击，明显降低了膜 层中“大颗粒的数量和尺寸，改变了膜层的成分、结构和生长方式，得到了一定厚度 的过渡层，增强了膜层的硬度和膜基结合力，进而提高了膜层的使用性能。 i i i j 东北大学博士学位论文 摘要 关键词：膜层刀具；电弧离子镀；离子束；t i a i n 膜层；大颗粒 f 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ea r ci o np l a t i n gd e p o s i t i o no ft i a i n f i l ma i d e d b yp u l s en i o nb e a m a b s t r a c t t i a l nc o a t i n gh a v eh i g hh a r d n e s s 、h i g hw e a rr e s i s t a n c e 、l o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e l l c o m b i n i n gp o w e rb e t w e e nm e m b r a n ea n dm a t r i x e s p e c i a l l y , t h e r ea r ee x t e n s i v eu s e so n c h a r a c t e r i s t i co fs t a b l er e s i s t a n c eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o na n dt h ef i e l do fc u t t i n gp r o c e s s n o w , t h e r ea r et i a i nl a y e ro nt h es u r f a c eo fc u t t i n g t o o l si sam a r k p r e s e n t l y , t h et e c h n o l o g y o fd e p o s i t e dt h et i a l nl a y e ra r er e a c t i o nm a g n e t i s mc o n t r o ls p u t t e r i n g 、r a d i of r e q u e n c y m a g n e t i s mc o n t r o ls p u t t e r i n g ，a r ci o np l a t i n g 、e l e c t r o nb e a mi o np l a t i n g ，i o nb e a ma s s i s t a n c e d e p o s i t s o nt h ek i n d so fd e p o s i tt e c h n o l o g y , a r ci o np l a t i n gb e c a m em a i n s t r e a mt e c h n o l o g y f o rt h ed i s t i n c tc h a r a c t e r i s t i co nu s ei n i n d u s t r y r e l a t i v et o o t h e r sd e p o s i tt e c h n o l o g y , t h e c h a r a c t e r i s t i co fa r ci o np l a t i n ga r ef o r m o ff a s ts p e e d 、c o m p a c tl a y e ra n dh a r d e rc o m b i n i n g p o w e rb u t t h et h e o r yo fa r ci o np l a t i n gd e p o s i ti s c o l dn e g a t i v ep o l ed i s c h a r g e i ti s d e t e r m i n e dt h a te x i s ti n e v i t a b l e l a r g ep a r t i c l e s o nt h es u r f a c eo fl a y e r t h e s ee x i s t e n t l a r g e p a r t i c l e s ”，n o to n l yf o r mt h es o f ts p o to fh a r d n e s sb u ta l s oh a m p e r e dd e p o s i t so ff o l l o w t h r o u g ha t o m t h er e s u l ti sd e c r e a s et h ec o m b i n i n gp o w e ra n dh a r d n e s so fl a y e r s ，m e a n w h i l e d e c r e a s ec h a r a c t e ro fs e r v i c eo nl a y e r s s o ，t h e “l a r g ep a r t i c l e s s e r i o u sr e s t r i c t e df u r t h e ru s e a n d d e v e l o po fa r ci o np l a t i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , i n t r o d u c e dp u l s ei o nb e a mt e c h n o l o g yi na r ci o np l a t i n g n a m e l y , t h e r ea r e d i f f e r e n ts t a g eb o m b a r do nt h et i a i nl a y e ro fa r ci o np l a t i n gd e p o s i t e db yni o nb e a mo f d i f f e r e n te n e r g yp u l s e i te l i m i n a t e dt h e l a r g ep a r t i c l e s o nt h es u r f a c eo fl a y e r sa n d i n c r e a s e dt h eh a r d n e s sa n dc o m b i n i n gp o w e ro fl a y e r , m e a n w h i l e ，i n c r e a s e dt h ec h a r a c t e ro f s e r v i c eo fl a y e r t h ed i f f e r e n ts t a g e so fb o m b a r di n c l u d e ：( 1 ) i na d v a n c eb o m b a r dt r e a t m e n t o nm a t r i xb yni o nb e a mp u l s eb e f o r ed e p o s i tt h el a y e rb ya r ci o np l a t i n g ；( 2 ) ni o nb e a m p u l s ea s s i s t a n c ed e p o s i tw h e na r ci o np l a t i n gd e p o s i t ；( 3 ) a f t e r - t r e a t m e n to fni o nb e a m b o m b a r dw h e nt h ea r ci o np l a t i n gd e p o s i tf i n i s h e d i nt h i sp a p e r , t i a i nc o a t i n g sw e r ed e p o s i t e do nh i g h - s p e e ds t e e lw 18 c r 4 vs u b s t r a t eb y r u s s i au v n0 5 d 2 ii o nb e a ma s s i s t e da r ci o np l a t i n g t h et h r e ed i f f e r e n td e p o s i ts t a g e so f v c h a n g e ，o n l yt h et i 2 a i np h a s eg r a d u a lc h a n g e dt o ( t i ，a 1 ) np h a s e ，t h eo r i e n t a t i o no ft i 2 a i n g r a d u a ld e c r e a s e da n d ( t i ，a 1 ) np h a s eg r a d u a li n c r e a s e d ，i tw a sg r o w t hf r o ml o wc r y s t a l p l a n ei n d e xn u m b e r ( 111 ) t oh i g hc r y s t a lp l a n ei n d e xn u m b e r ( 2 0 0 ) a n d ( 2 2 0 ) w i d e n i n gt h e w i d t ho ft r a n s i t i o n a ll a y e rb yni o nb e a mb o m b a r d e dw h e nt h ei n i t i a ls t a g eo fl a y e rd e p o s i t e d i tw a si n c r e a s e dh a r d n e s sa n dc o m b i n i n gp o w e ro ff i l ml a y e rb e c a u s ee x i s t e n c et r a n s i t i o n a l l a y e r w h e nt h em a t r i xw a sn o ti n t r o d u c e dn i o nb e a mb e f o r e h a n db o m b a r dt r e a t m e n t ，t h e h a r d n e s so ff i l ml a y e ri s19 0 0 nh v o 0 1a n dt h ec o m b i n i n gp o w e ro ff i l mi s3 5 n b yd i r e c ta r c i o np l a t i n gd e p o s i t e dt i a l no nm a t r i x a n dt h a tt h eh a r d n e s so ff i l ml a y e ri n c r e a s e dt o210 0 v t 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t h v o 0 1a n dt h ec o m b i n i n gp o w e ro ff i l mi n c r e a s e dt o5 5 nb e c a u s et i a i nf i l ml a y e ro fi n c l u d e t r a n s i t i o n a ll a y e r ni o nb e a mb o m b a r d ，i tc h a n g e dt h ec o n t e n to ff i l ml a y e rc o m p o n e n t ， i n c r e a s e dt h ec o n t e n to fne l e m e n ta n dd e c r e a s e dt h ec o n t e n to fa le l e m e n t m e nt h en b o m b a r d m e n te n e r g yi s7 - 5 k e v , t h ef i l ml a y e rc o m p o s i t i o ni st i 06 3 a 1 0 3 7 n t h i sm o m e n t ，t h e h a r d n e s so ff i l ml a y e ri n c r e a s e df r o m210 0h v 0 0 1t o2 5 3 0h v 0 0 1a n dt h ec o m b i n i n gp o w e ro f f i l mi n c r e a s e df r o m5 5 nt o8 0 nw h e nt h ee n e r g yo fni o nb o m b a r d m e n ti s0 k e v t h e a b r a s i v ew e a re x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e df r o mo r i g i n a l 0 3t o0 13a n dt h ew e a rr e s i s t a n c eo ff i l ml a y e ri n c r e a s e du p w a r dt w i c ew h e nt h ee n e r g yo fn i o nb o m b a r d m e n ti s7 5 k e v t h eh i 曲t e m p e r a t u r eo x i d a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tni o n b e a mb o m b a r dd i s t i n c ti n c r e a s e dh i g ht e m p e r a t u r eo x i d i z i n gr e s i s t a n c eo ff i l ml a y e ra n d i n c r e a s e dt h er e s i s t a n c eo x i d a t i o nt e m p e r a t u r ef r o mo r i g i n a l7 0 0 。ct o8 0 0 。c t h es t a t i cb r i n e e r o s i o nt e s t ss h o wt h a tni o nb o m b a r dd i s t i n c ti n c r e a s e dt h ec a p a c i t yo fe r o s i o nr e s i s t a n c e a n dt h ee r o s i o nr e s i s t a n c eo ff i l ml a y e ri n c r e a s e du p w a r dt w i c e a f t e r - t r e a t m e n to f ni o nb e a mb o m b a r dw h e nt h ea r ci o np l a t i n gd e p o s i tf i n i s h e d ni o n b e a mb o m b a r de l i m i n a t e dt h e “l a r g ep a r t i c l e s o nt h es u r f a c eo ff i l ml a y e r t h ep i t sc h a n g e d s h a l l o wa n dl e v e l i n ga n dt h ef i l ml a y e r sa r ec o n t i n u u m 、s m o o t ha n dc o m p a c t t h ei n t e r f a c eo f f i l ma n dm a t r i xi sc h a n g ef r o md i s t i n c tt oo b s c u r e ni o nb e a mb o m b a r do nt h ei n t e r f a c eo f f i l ma n dm a t r i xm a d ead e f i n i t et h i c k n e s sd i f f u s i o nl a y e r i ti st h em a i nr e a s o nt h a ti n c r e a s e d t h ec o m b i n i n gp o w e ro ff i l ma n dm a t r i x t h e r ew a sn op h a s es t r u c t u r ec h a n g e db yni o n b e a mb o m b a r d ，t i 2 a 1 np h a s ec h a n g e dt o ( t i ，a i ) np h a s ei nt h ef i l ml a y e r , a n dw h i l et i 2 a 1 n c r y s t a lo r i e n t a t i o nr e d u c e d ，a sw e l la s ( t i ，a 1 ) no r i e n t a t i o ni n c r e a s e d ，i tw a sd e v e l o pf r o m l o wc r y s t a lp l a n ei n d e x ( 111 ) t oh i g hc r y s t a lp l a n ei n d e x ( 2 0 0 ) a n d ( 2 2 0 ) t h ea b r a s i v ew e a r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef i l ml a y e rw a sa p p e a rs l i g h tw e a ra n dt h ef i l ml a y e rw a s n o tb r e a ko f fw h e nt h ee n e r g yo fni o nb o m b a r di s5 k e v t h eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es u r f a c eo ff i l ml a y e rw a si n t a c ta n dt h ec o l o ro ff i l ml a y e rw a s d e e pw h e nt h ee n e r g yo fn i o nb o m b a r di s5 k e v t h es t a t i cb r i n ee r o s i o nt e s t ss h o wt h a tt h e s u r f a c eo ff i l ml a y e rw a ss l i g h te r o s i o na n dw a sn o ta p p e a rm a s s i v ee r o s i o np i n h o l ew h e nt h e e n e r g yo fn i o nb o m b a r di s5 k e v b o m b a r dt i a i nc o a t i n go fa r ci o np l a t i n ga td i f f e r e n ts t a g eb yp u l s eni o nb e a m d i s t i n c t ，d e c r e a s e d t h eq u a n t i t yo f “l a r g ep a r t i c l e s ”a n ds i z ei nc o a t i n g a n dc h a n g ec o m p o n e n t 、s t r u c t u r ea n dam o d eo f v i i 东北大学博士学位论文 a b s t r a g r o w , g o tc e r t a i n l yt h i c k n e s s t r a n s i t i o nl a y e r i n c r e a s e dt h eh a r d n e s sa n dc o m b i n i n gp o w e ro f c o a t i n g k e yw o rds ：f i l ml a y e rt o o l s ；a r ci o np l a t i n g ；i o nb e a m ；t i a l nf i l ml a y e r ；l a r g ep a r t i c l e s v i l l 东北大学博士学位论文 目录 目录 声明i 摘要皿 b s t r a c t 目录一 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 常见的膜层材料2 1 3 膜层的沉积方法3 1 4 电弧离子镀5 1 4 1 电弧离子镀沉积原理6 1 4 2 电弧离子镀研究进展9 1 4 3 电弧离子镀的应用1 0 1 4 4 电弧离子镀技术沉积的t i a l n 膜层及其国内外研究现状1 1 1 4 4 1t i a l n 国外研究现状1 1 1 4 4 2t i a l n 国内研究现状1 2 1 4 5 电弧离子镀存在的问题和解决现状1 4 1 5 脉冲离子束辅助电弧离子镀沉积技术1 5 1 5 1 脉冲离子束辅助电弧离子镀沉积原理1 6 1 5 2 脉冲离子束与基材表面的相互作用1 7 1 5 3 等离子体在气相沉积过程中的作用1 8 1 6 本论文的研究目的、意义和内容1 9 1 6 1 研究目的1 9 1 6 2 研究的意义1 9 1 6 3 研究的内容2 0 第二章试验设备与试验方法2 l i x 东北大学博士学位论文 目录 2 1 试验设备简介2 1 2 1 1 电弧蒸发器2 2 2 1 2 气体离子源2 3 2 1 3 两路脉冲进气系统2 5 2 2 试验方法2 5 2 2 1 试样和膜层的制备及工艺参数2 5 2 2 2 基材和膜层性能的分析2 6 第三章脉冲n 离子束轰击对基材性能的影响2 8 3 1 引言2 8 3 2 脉冲n 离子束轰击对基材形貌的影响2 9 3 3 改性层微区成分分析3 2 3 4 改性层的相结构3 6 3 5 脉冲n 离子轰击时间对基材温度的影响3 7 3 6 改性层硬度分析3 8 3 7 本章小结4 0 第四章脉冲n 离子束辅助轰击对t i a l n 膜层性能的影响4 2 4 1 引言4 2 4 2 脉冲n 离子束轰击对膜层形貌的影响4 2 4 3 脉冲n 离子束轰击对膜层厚度的影响4 8 4 4 膜层表面微区成分分析4 9 4 5t i a l n 膜层相结构分析5 4 4 6 脉冲n 离子轰击对基材温度的影响5 8 4 7 脉冲n 离子轰击对膜层显微硬度的影响6 0 4 8 脉冲n 离子轰击对膜层和基材结合强度的影响6 2 4 9 脉冲n 离子轰击对膜层耐磨性的影响6 6 4 1 0 脉冲n 离子轰击对膜层抗氧化性能的影响7 0 4 1 l 脉冲n 离子轰击对膜层耐腐蚀性的影响7 2 4 1 2 本章小结7 5 第五章脉冲n 离子束轰击对已沉积t i a l n 膜层性能的影响7 7 x 东北大学博士学位论文 目录 5 1 引。言7 7 5 2 脉冲n 离子轰击对膜层形貌的影响7 7 5 3t i a l n 膜层相结构分析8 2 5 4 脉冲n 离子束轰击对膜层显微硬度的影响8 3 5 5 脉冲n 离子束轰击对膜层和基材结合力的影响8 4 5 6 脉冲n 离子轰击对膜层耐磨性的影响8 5 5 7 脉冲n 离子轰击对膜层抗氧化性能的影响8 6 5 8 脉冲n 离子轰击对膜层耐腐蚀性的影响8 7 5 9 本章小结8 7 第六章结论8 9 参考文献9 l 创新点1 0 0 工作展望1 0 1 攻读博士学位期间发表的论文及科研情况1 0 2 致谢1 0 3 作者简介1 0 4 x i ， 东北大学博士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着制造业的飞速发展，汽车工业、航空航天工业、模具工业等高技术产业对切削 加工不断提出更高的要求，尤其是当前机床发展趋势为高转速、高精度及高质量的特点， 对切削刀具表面处理的要求也更加严格。现代刀具不仅要满足高速切削、干式切削、硬 切削、复合切削等先进切削技术的需要，而且对产品功能的多样化、结构的合理化、外 形美观等方面也提出了更高的要求。采用新型刀具实现高效、优质、低成本生产是现代 企业提高经济效益的重要途径。 切削加工要求刀具既要有高的硬度和抗磨损性能，又要有高的强度和韧性，而膜层 刀具是解决这一矛盾的最佳方案之一。膜层刀具是在具有高强度和韧性的刀具上镀上一 层耐磨损、耐腐蚀或耐高温的材料。膜层具有高的硬度、良好的耐磨性、低的摩擦系数 以及与刀具之间良好的结合力。膜层刀具主要通过提高刀具表面硬度，热稳定性，降低 摩擦系数等方法来提高切削速度、提高进给速度，从而提高切削效率，并大幅提升刀具 寿命。膜层刀具将对今后刀具性能的提高和切削技术的进步发挥十分重要的推动作用。 自2 0 世纪6 0 年代末，第一代c v d 气相沉积t i c 硬质合金刀具问世以来，膜层技 术对硬质合金刀具的发展起了巨大的促进作用。2 0 世纪8 0 年代初，p v d 气相沉积t i n 在高速钢刀具上成功应用，被誉为高速钢刀具性能的一场革命。从此，膜层技术取得了 飞速的发展，膜层工艺越来越成熟，膜层刀具应用范围越来越广泛。 西方工业发达国家使用的膜层刀具占可转位刀具的比例已由1 9 7 8 年的2 6 上升到 2 0 0 7 年的9 5 ，新型的数控机床所用的刀具中8 0 左右是膜层刀具。规模较大、管理 较好的工厂，每月所耗刀具膜层费用大于5 万美元，膜层刀具占其全部使用( 或销售) 刀 具的8 5 ；规模较小的工厂每月所耗刀具膜层费用则在5 万美元以下，膜层刀具占其全 部刀具的5 5 。瑞典山特维克可乐满和美国肯纳金属公司的膜层刀具的比例已达8 5 以 上，美国数控机床上使用的硬质合金膜层刀具比例为8 0 ，瑞典和德国车削用的膜层刀 具都在7 0 以上。日本、俄罗斯膜层技术开发和应用也走在世界前列。b a l z e r s 、m u l t i a r c 这两家著名的刀具膜层设备制造公司( 生产p v d 设备) 在世界各地建立了很多膜层中心， 两家公司在膜层中心的收入比他们销售膜层设备的收入更丰厚。 少膜层工厂，仅江苏丹阳地区就有6 家膜层工厂，但技术水平和规模均达不到高品质膜 层刀具的要求。因此，当务之急是在国内建立具有开发能力和高技术水平的膜层中心。 2 1 世纪，人类社会在环境保护，生态平衡等方面获得了高速共识，并成为全社会的 共同行动纲领。当前，一个以降耗、节能、减废、有利于环球保护和人生健康的，实行 清洁安全生产的“绿色工程 正在工业发达国家兴起。实行“绿色工程 ，开发“绿色 制造技术”是新世纪切削加工发展的重要课题。切削加工的切削液对环境的污染、对操 作者健康的伤害，成为当前治理的重点，因此，应对刀具切削环境进行改善，加快膜层 刀具技术的开发和应用。 1 2 常见的膜层材料 膜层材料主要包括各种过渡族金属的氮化物、碳化物、氧化物、硼化物以及具有高 东北大学博士学位论文 第一章绪论 硬度的类金刚石和立方b n 等，最常见的膜层材料有t i n 、t i c n 、a 1 2 0 3 和t i a i n 。 t i n 膜层可增加刀具表面的硬度和耐磨性【1 2 1 ，降低摩擦系数，减少积屑瘤的产生， 延长刀具寿命，适合于加工低合金钢和不锈钢。但由于其抗氧化温度较低( 只有5 5 0 ) ， 在高速切削和难加工材料时，膜层迅速被氧化生成t i 0 2 而降低了刀具的耐磨性，限制 了它在高温领域的应用。 t i c n 膜层硬度比t i n 膜层高，耐磨性更好【3 j 。与t i n 膜层相比，t i c n 膜层刀具能 在更大的进给速度及切削速度下加工( 分别比t i n 膜层高出4 0 和6 0 ) ，不仅有极高的 硬度和韧性，还有好的抗粘着磨损和抗磨粒磨损性能。t i c n 膜层刀具可以加工各种工 件材料，但热稳定性和抗氧化性不如t i n 。 a 1 2 0 3 膜层具有较好的热稳定性和化学稳定性，作为刀具膜层在高速切削条件下， 较t i n 和t i c n 更为耐磨，但由于机械性能差，不能单独用来做膜层材料。 t i a i n 膜层是唯一含有a l 的p v d 膜层，在切削过程中a 1 氧化而形成a 1 2 0 3 ，从而 起到抗氧化和抗扩散磨损作用，但其抗氧化性能比单一的a 1 2 0 3 膜层稍差。主要是因为 在高温切削过程中t i a i n 与氧反应形成的a 1 2 0 3 在切削过程中边生成边磨掉，但在高速 切削时，其效果优于不含a l 的t i c n 膜层。有关文献报道，t i a i n 膜层具有高的硬 度、高耐磨性、低的摩擦系数、基材和膜层之间良好的结合力，优异的化学稳定性，特 别具有稳定的抗高温氧化性( 7 0 0 7 5 0 ) ，适用于高速干切削。干切削时切削区的切 屑可以用压缩空气清除。t i a i n 膜层刀具适合加工淬硬钢、钛合金、镍基合金、铸铁和 高硅铝合金等脆性材料。 1 3 膜层的沉积方法 目前，常用的沉积刀具膜层方法有化学气相沉积( c v d ) 、物理气相沉积( p v d ) 、等 离子体化学气相沉积( p c v d ) 、盐浴浸镀法、等离子喷涂、热解沉积膜层及化学涂敷法 等，其中以c v d 和p v d 应用最为广泛【1 2 】。 c v d 是在9 0 0 1 0 0 0 高温的真空炉中，利用气相物质的热分解、热合成或化学 传输等过程，在基材表面生成固态沉积层的过程。但c v d 在沉积膜层刀具具有明显的 缺点：首先，沉积工艺温度高，超过了绝大多数常用刀具的热处理温度，可用来镀膜的 刀具材料种类极为有限，严格地说，只有硬质合金才能用作基材，当应用到高速钢基材