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1、第一章 緒論 1.1 引言 刀具涂層技術(shù)首次出現(xiàn)于20世紀(jì)中后期，各個(gè)國家因?yàn)槭褂猛繉蛹夹g(shù)而使刀具的綜合性能飛速提升，刀具各項(xiàng)指標(biāo)得到了大幅度的改良。因?yàn)橥繉拥毒呦啾绕胀ǖ毒邠碛懈玫那邢餍阅?、表面硬度更高、耐磨性能和化學(xué)性能更穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使得涂層刀具的切削壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通刀具，同時(shí)涂層刀具使用時(shí)的切削速度、切削質(zhì)量大幅度提高，相比于普通刀具加工，涂層刀具精度提高0.5~1級(jí)。因此，涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標(biāo)志[1]。而大力發(fā)展涂層刀具對(duì)機(jī)加工有著劃時(shí)代的意義。 從20世紀(jì)末到現(xiàn)在，世界各國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，其中制造業(yè)作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，正在發(fā)生著革命性的變化。相比于以前的制造技術(shù)而言，制造技

2、術(shù)在近十幾年也發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在這其中，對(duì)制造業(yè)和制造業(yè)水平影響最大的莫過于金屬加工技術(shù)的強(qiáng)弱。因此使用涂層技術(shù)的刀具相比于普通刀具有著天然的優(yōu)勢(shì)，而研究如何獲得更加優(yōu)良品質(zhì)的涂層，更加完善的工藝技術(shù)，是各個(gè)國家提升生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。 1.2 多弧離子鍍技術(shù) 1.2.1多弧離子鍍的原理與特點(diǎn) 多弧離子鍍技術(shù)是在真空室中利用弧光放電的方式蒸發(fā)靶材表面，使用電流調(diào)節(jié)弧光放電的程度，在負(fù)偏壓及占空比的影響下使真空室內(nèi)的蒸發(fā)物質(zhì)離化，獲得等離子體，在氣體離子的轟擊作用下將蒸發(fā)物質(zhì)或者反應(yīng)物質(zhì)沉積在其基體表面上，其原理圖如圖1.1所示。 圖1.1多弧離子鍍?cè)韴D 多弧離子鍍?cè)阱兡み^程中可

3、以產(chǎn)生高度離化的等離子體，當(dāng)真空室存在這些被蒸發(fā)物質(zhì)組成的等離子體時(shí)，由于這些離子具有非常高的動(dòng)能，因此這些離子被電場(chǎng)加速作用下轟擊基體表面，使基體表面變得清潔，這樣膜層質(zhì)量更佳。同時(shí)多弧離子鍍更具有以下特點(diǎn)： （1）首先多弧離子鍍中等離子體是由陰極直接產(chǎn)生的 （2）游離在真空室內(nèi)的離子具有非常高的動(dòng)能，因此多弧離子鍍的涂層薄膜相比于普通涂層致密度、強(qiáng)度更高。 （3）一般離子鍍離化率較低，而多弧離子鍍通常情況下為60%以上。 （4）多弧離子鍍技術(shù)涂層沉積速度快，減少了在鍍膜過程中使用的時(shí)間。 （5）相比較普通離子鍍?cè)O(shè)備操作簡(jiǎn)單，工作時(shí)低電源電壓更安全。 （6）多弧離子鍍采用一弧多用

4、的方式，電弧不僅可以加熱源和離子濺射清洗，同時(shí)也可以充當(dāng)蒸發(fā)源和離化源。 1.2.2 多弧離子鍍的工藝參數(shù) 對(duì)于多弧離子鍍來說，工藝參數(shù)是影響涂層質(zhì)量的一個(gè)重要因素。其中影響多弧離子鍍工藝參數(shù)主要包括N2分壓、基體溫度、基體偏壓、靶材的選擇、涂層材料等等。涂層材料和多弧離子鍍工藝參數(shù)的選擇決定了最終涂層的質(zhì)量，而控制多弧離子鍍的工藝參數(shù)，在一定意義上可以說是控制了涂層質(zhì)量。 （1）N2分壓 經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)N2流量逐漸升高時(shí)，基體上涂層的大顆粒會(huì)逐漸減少，基體表面致密度提高。如果N2流量過低時(shí)，真空室內(nèi)可能會(huì)發(fā)生與靶材反應(yīng)不完全的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)使涂層表面缺陷增大。但是當(dāng)N2流量過大時(shí)，

5、真空室內(nèi)濺射增強(qiáng)，離子難以到達(dá)基體表面，反而不能得到較好的表面涂層，所以實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)選取適當(dāng)?shù)腘2流量。 （2）基體偏壓 在多弧離子鍍過程中，真空室內(nèi)存在大量的等離子體，其中包括離子、電子及中性粒子[3]。當(dāng)真空室內(nèi)調(diào)節(jié)負(fù)偏壓時(shí)，具有高能量的離子在負(fù)偏壓電場(chǎng)的引導(dǎo)下加速撞擊基體表面，從而影響涂層表面形貌。因此調(diào)整基體負(fù)偏壓時(shí)，圖層表面所沉積離子的能量便會(huì)發(fā)生變化，這樣以達(dá)到控制涂層質(zhì)量的目的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，涂層表面熔滴的密度和直徑均會(huì)隨著基體負(fù)偏壓的增加而逐漸減小，這是因?yàn)樨?fù)偏壓的增大會(huì)使離子撞擊基體表面過程中消耗的內(nèi)能增加，這樣一部分熔滴沒有辦法到達(dá)基體表面，只能存在于真空室內(nèi)，因此可以

6、清潔圖層表面。 （3）靶材 鍍膜靶材是多弧離子鍍或其他類型的鍍膜方式在指定的參數(shù)條件下通過蒸發(fā)等方式沉積在基體上的濺射源。換句話說，靶材就是有高能量離子或者粒子轟擊濺射的目標(biāo)材料。選擇不同的靶材，不同的材質(zhì)如鋁、鈦、銅等，就可以獲得不同的膜層，因此，合理的選擇靶材對(duì)涂層質(zhì)量有重要作用。 （4）基體溫度 當(dāng)基體的沉積溫度上升時(shí)，沉積離子的擴(kuò)散能力會(huì)逐漸增加，應(yīng)力可以快速釋放，這樣的圖層表面缺陷密度低，而致密性升高。其次，隨著沉積溫度的提高，基體表面已經(jīng)沉積的離子依然可以逐漸擴(kuò)散進(jìn)基體表層，這是因?yàn)槌练e在基體表面的離子擁有比較高的能量，所以這些離子可以進(jìn)行長距離的擴(kuò)散，進(jìn)而增強(qiáng)了涂層與基體

7、的結(jié)合強(qiáng)度。所以，沉積溫度對(duì)對(duì)涂層質(zhì)量影響巨大，在實(shí)驗(yàn)過程中需要選取合適的基體溫度。 1.3 AlCrN涂層的研究現(xiàn)狀 CrN涂層作為早期應(yīng)用于刀具的保護(hù)涂層，在生產(chǎn)制造方面發(fā)揮了巨大作用。其中物理氣相沉積技術(shù)制備的CrN涂層具有韌性高、耐磨性好、抗粘著、抗高溫氧化性和抗腐蝕性良好等特點(diǎn)，已在刀具、夾具、耐磨等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛并且有著良好的發(fā)展前景，而隨后發(fā)展的AlCrN涂層的綜合性能則比CrN涂層有很大提高，實(shí)驗(yàn)證明CrN涂層硬質(zhì)合金刀具抗氧化性能、硬度和韌性等都劣于AlCrN 涂層 ，并且隨著切削速度的提高，AlCrN涂層刀具表現(xiàn)出更好的切削性能【3】。 近年來，我國在涂層刀具方面的研

8、究上取得了一定的成績(jī)，但是起步較晚，部分技術(shù)尚不成熟，在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展比較緩慢。但是與西方發(fā)達(dá)國家相比，在專業(yè)涂層技術(shù)水平還存在很大的差距。所以，我國需要大力支持對(duì)AlCrN涂層刀具的研究和使用，提高刀具的使用壽命和性能。 在歐、美、日等發(fā)達(dá)國家， 使用物理氣相沉積技術(shù)所制造的涂層刀具使用率非常高，有數(shù)據(jù)顯示90%高速鋼為涂層刀具，50%-60%硬質(zhì)合金同樣為涂層刀具（CVD涂層約占10%-20%），而其中A1CrN涂層刀具占比呈逐年上升趨勢(shì)。因此，大量國內(nèi)外刀具廠商都投身于高性能AlCrN涂層刀具的研究領(lǐng)域。 1.4 本課題研究的內(nèi)容及意義 本課題的研究目的在于采用Al-Cr合金靶

9、材，利用多弧離子鍍技術(shù)在鎢鋼銑刀表面沉積AlCrN膜層，研究基體溫度、基體偏壓、N2分壓等工藝參數(shù)對(duì)AlCrN膜層物相、顯微組織并與鎢鋼銑刀基體的顯微硬度、耐磨性及切削加工性能進(jìn)行比較。 1. 研究N2分壓對(duì)AlCrN膜層物相、顯微組織及孔隙率的影響，研究AlCrN膜層的形成機(jī)理； 2. 研究N2分壓對(duì)AlCrN膜層顯微硬度、與基體的結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性的影響，建立AlCrN膜層的損傷機(jī)制及磨損機(jī)制； 3. 通過對(duì)多弧離子鍍前后鎢鋼銑刀的切削加工性能進(jìn)行對(duì)比，研究AlCrN膜層的損傷機(jī)制。 近年數(shù)據(jù)顯示多元系氮化物涂層刀具是研究涂層發(fā)展的主要發(fā)展方向，與相應(yīng)的二元系涂層刀具相比，三元化涂層

10、具備更佳優(yōu)良的表面性能，如具高硬度、高韌性、抗高溫摩擦性能和抗氧化性等。然而，多元系碳化物薄膜也容易受到多種因素的干擾，如涂層的化學(xué)成分、基體所使用的材質(zhì)等等，在不同條件下會(huì)產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，研究多元系氮化物在不同條件下的摩擦磨損性能、力學(xué)性能、壽命和高溫抗氧化性能等將成為日后主要的發(fā)展方向。  第二章 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法 2.1 實(shí)驗(yàn)材料 本研究選用的鎢鋼基體型號(hào)為YG6X，鎢鋼(硬質(zhì)合金)，具有高硬度、高強(qiáng)度、良好的耐磨等優(yōu)良金屬性能，尤其是它的高硬度和耐磨性，即使在高溫高壓下仍然基本保持穩(wěn)定，在100超高溫度下仍有很高的硬度；本次實(shí)驗(yàn)中所使用的鎢鋼銑刀材質(zhì)為YG6

11、X；選用AlCr靶材進(jìn)行多弧離子鍍。 實(shí)驗(yàn)所選用的基體材料，靶材，鍍膜刀具如圖2.1所示，它的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比%）如表2.1所示。 (a) (b) (c) 圖2.1 實(shí)驗(yàn)所選用主要原料：（a）鎢鋼試片（b）TiAl靶材（c）鎢鋼刀具 表2.1 實(shí)驗(yàn)中鎢鋼試片和TiAl靶材的化學(xué)成分（wt.%） 材料 化學(xué)成分（wt. %） 鎢鋼 WC TaC NbC Co 93.5 <0.5 <0.5 6 AlCr靶材 Al50Cr50 99.99 2.2 實(shí)驗(yàn)方法 （1）基體前處理 實(shí)驗(yàn)前使用無水乙醇在KQ5200B型超聲波清洗器上

12、進(jìn)行超聲清洗基體試樣10分鐘2次，清洗干凈后室溫下烘干。 （2）真空室清洗 在將轉(zhuǎn)架上的試樣放入真空室之前，首先需要清理真空室，第一步先用砂紙打磨夾具和真空室爐壁，之后后用酒精擦拭上面的灰塵，這樣可以去除前次試驗(yàn)留下的涂層和其他雜質(zhì)，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，也防止涂層沉積過程中污漬對(duì)涂層的污染。 （3）多弧離子鍍沉積A1CrN涂層 實(shí)驗(yàn)采用多弧離子鍍技術(shù)制備以鎢鋼為基體的AlCrN涂層刀具。工藝過程如下： a. 開機(jī) 打開設(shè)備總電源的開關(guān)，開機(jī)后檢查空氣壓縮機(jī)工作是否正常；完成檢查后再次 檢查水冷循環(huán)工作是否正常；檢查高真空閥是否在關(guān)閉狀態(tài)，開啟分子泵，約30min后分子泵準(zhǔn)備工作完成

13、； b. 裝載試樣 將超聲波清洗干凈的試樣掛在轉(zhuǎn)架上，按順序做好記錄；然后把轉(zhuǎn)架裝到真空室里，關(guān)閉并鎖住真空室前門。 c. 低真空 按下【Rough】按鈕，將節(jié)流閥的電位器開到最大200位置，打開V1閥，設(shè)置適宜的加熱溫度，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為2，打開真空計(jì)，開始抽真空， d. 高真空Ⅰ 當(dāng)真空度達(dá)到大約4Pa時(shí)，關(guān)閉【V1】按鈕；按下【V2】按鈕；按下【V3】按鈕； e. Ar氣輝光放電 當(dāng)輔助泵系統(tǒng)抽真空至Pa,在操作臺(tái)調(diào)整節(jié)流閥電位器至15；調(diào)整Ar氣的進(jìn)氣量至，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，觀察真空計(jì)使真空度達(dá)到2Pa；打開偏壓電源，設(shè)定800V,占空比30%，進(jìn)行Ar離子轟擊2min，此時(shí)真空

14、室內(nèi)會(huì)有黑色輝光放電現(xiàn)象； f. 高真空抽氣Ⅱ 關(guān)閉Ar氣，關(guān)閉偏壓電源，調(diào)整節(jié)流閥電位器至200位置，繼續(xù)抽真空到真空度為； g. 主弧轟擊 調(diào)整節(jié)流閥電位器設(shè)定值到200位置；調(diào)整N2氣進(jìn)氣量（50、100、150、200），工件轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)；調(diào)整偏壓電源達(dá)到800V，占空比30%；開啟AlCrN靶材，設(shè)置弧電流120A；保持主弧轟擊5min，以清洗靶材表面； h. 鍍膜（沉積AlCrN） 調(diào)整偏壓電源為100V，占空比80%，開啟AlCrN靶材，設(shè)置弧電流80A，通入N2氣進(jìn)行60min鍍膜。 i. 工件卸載 等待鍍膜結(jié)束后，首先關(guān)閉靶材電流，然后關(guān)閉工件偏壓，關(guān)閉N2氣供

15、氣，關(guān)閉工件加熱器，關(guān)閉真空計(jì)，關(guān)閉【V2】、【V3】，關(guān)閉粗抽泵【Rough】。 j. 冷卻取樣 溫度降至100℃時(shí)，按下“Vent”按鈕，真空室放氣，打開真空室前門，踩下腳踏開關(guān)使得裝架驅(qū)動(dòng)軸的豁口正對(duì)前門，推轉(zhuǎn)架推車到位，將轉(zhuǎn)架沿著軌道從真空室內(nèi)拉出，將轉(zhuǎn)架推車移開真空室前門，等待所鍍工件冷卻，卸載所有已鍍工件，清潔轉(zhuǎn)架。 試樣編號(hào)及其所對(duì)應(yīng)的不同N2流量下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2.2所示。 表2.2 試樣編號(hào)及其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù) 試樣編號(hào) N2流量/sccm A1 50 A2 100 A3 150 A4 200 2.3 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及儀器 （1

16、）數(shù)控電火花線切割機(jī)（型號(hào)：DK7732）：主要用于切割切削實(shí)驗(yàn)后鍍膜刀具及未鍍膜刀具所磨損的刀頭，最大控制范圍≤90度；精度δ≤0.01 mmError! Reference source not found.。如圖2.2。 （2） 多弧離子鍍膜機(jī)（型號(hào)：AS600DTXBE）：用于制備AlCrN涂層及具有AlCrN涂層的刀具，如圖2.3所示。 圖2.2數(shù)控電火花線切割機(jī) 圖2.3 AS600DTXBE型多弧離子鍍膜機(jī)及其操作臺(tái) （3）OLYMPUS光學(xué)顯微鏡（型號(hào)：BXS1TRF型，日本OLYMPUS公司） 作用: 輔助觀察基體上涂層的形貌特征。使用目鏡為10x；

17、可使用物鏡包括SX、IOX、ZOX、50X、100X和150X五種類型，使用過程中最大放大倍數(shù)可達(dá)1500倍率。 （4）場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社（JEOL）型號(hào)：JSM-6700F型） 性能指標(biāo)：放大倍數(shù)為25倍-1000000倍；二次電子分辨率為1.0nm (15kV)；能譜分辨率為133eVError! Reference source not found.。 功能：可用來建立材料科學(xué)與工程,在納米級(jí)形態(tài)觀察生物樣品組織，還可以測(cè)量樣品厚度。在本實(shí)驗(yàn)中主要用來觀察材料的顯微組織。 (5)顯微硬度計(jì)（型號(hào)：HXD-2000） 如圖2.5所示。 性能指標(biāo)：施加載荷為0-

18、100N，在不同的位置上壓入涂層基體表面，停留一定時(shí)間。 用途：測(cè)試涂層的顯微硬度。 （6）HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 性能指標(biāo)：施加載荷50N；試樣直徑為20mm，調(diào)整圓盤轉(zhuǎn)速為560 r/min；采用摩擦副為Si3N4,。 用途：用來測(cè)試摩擦磨損系數(shù)及摩擦磨損系數(shù)曲線，如圖2.6所示。 （7）X射線衍射儀（生產(chǎn)廠家：日本島津公司，型號(hào)：XRD-7000） 用途：主要用來對(duì)已經(jīng)鍍膜后的試樣進(jìn)行定性、定量成分檢測(cè)。完成后使用Pcpdfwin結(jié)合pdf2000數(shù)據(jù)庫，對(duì)比pdf卡片搜索復(fù)合材料成型中所有可能相，記錄檢測(cè)結(jié)果并使用衍射分析軟件Jade完成復(fù)合材料的相分析[3]。

19、 （8）WS-2005型涂層附著力自動(dòng)劃痕儀 測(cè)試參數(shù)：輸入載荷為0-100N，加載速率為100N/min，劃痕長度為5mm，在相同條件下對(duì)表面進(jìn)行2次刻劃測(cè)試。刻劃所用金剛石壓頭半徑為R=0.2mm，錐角120。在相同條件下對(duì)表面進(jìn)行2次刻劃測(cè)試。 用途：研究涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度，如圖2.7所示。 圖2.5 HXD-1000型顯微硬度計(jì) 圖2.6 高溫摩擦磨損 試驗(yàn)機(jī) 圖2.7 涂層附著力自動(dòng) 劃痕儀 （9）激光掃描共聚焦顯微鏡（型號(hào)：LSM800型激光共聚焦顯微鏡） 測(cè)試參數(shù)：運(yùn)用Airyscan技術(shù)（蔡司革新性檢測(cè)理念）能夠在 X/Y/Z 三個(gè)維度上獲得超出

20、傳統(tǒng)共聚焦1.7 倍的高分辨率，實(shí)現(xiàn)縮小5倍的共聚體積。靈敏度大大增加。總放大倍率為12.5~40000x。 用途：通過線性掃描進(jìn)行均勻照明，并結(jié)合高靈敏度檢測(cè)裝置對(duì)樣品進(jìn)行低損傷地成像，如圖2.8所示。 圖2.8激光掃描共聚焦顯微鏡及其操作臺(tái) 2.4 組織分析及性能測(cè)試 2.4.1 XRD物相分析 對(duì)涂層組織分析的方法采用日本理學(xué)X射線衍射分析，其操作步驟是采用50kV電壓，300mA電流，Cu-Ka輻射。自此之前需要將試樣進(jìn)行打磨、拋光，然后上機(jī)分析。將所測(cè)得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物相組織的定性分析和定量分析。 2.4.2顯微硬度測(cè)試方法 采用HXD

21、-1000型顯微硬度測(cè)量計(jì)測(cè)量AlCrN涂層試樣的微觀硬度。實(shí)驗(yàn)過程中在涂層試樣上施加50g載荷，完成后系統(tǒng)自動(dòng)停留10秒。測(cè)試五個(gè)點(diǎn)取平均值，根據(jù)公式電腦自動(dòng)算出硬度值： （2.1） 在式2-1中，HV為顯微硬度值，其單位為(kg/mm2)；d是是測(cè)試時(shí)壓頭對(duì)涂層表面施加壓力時(shí)的壓痕對(duì)角線長度，單位為(μm)；P是對(duì)涂層施加的載荷值，單位為(g)。 2.4.3試樣金相組織觀察 實(shí)驗(yàn)前使用酒精清洗試樣、烘箱烘干，烘干后使用BXS1TRF光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織

22、的觀察。 2.4.4 磨損性能測(cè)試方法 試驗(yàn)采用HT-1000型摩擦磨損試驗(yàn)儀對(duì)圖層表面進(jìn)行干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中使用儀器安裝軟件記錄摩擦磨損曲線。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)原理：首先將試樣裝夾于夾具上，在夾具上方施加載荷，并將以鎢鋼為基體的AlCrN涂層試樣使用夾具裝夾于轉(zhuǎn)盤中央。實(shí)驗(yàn)開始后，試樣在夾具上保持相對(duì)靜止，圓盤在電機(jī)的帶動(dòng)下做圓周運(yùn)動(dòng)，摩擦副與AlCrN圖層表面在定載荷、定轉(zhuǎn)速的作用下進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。當(dāng)設(shè)定時(shí)間到達(dá)后，使用摩擦磨損試驗(yàn)儀安裝的測(cè)試軟件，可以分析并得到摩擦磨損系數(shù)。 2.4.5 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試采用涂層附著力自動(dòng)劃痕儀在已鍍涂層表面進(jìn)行刻劃試驗(yàn)，本

23、次實(shí)驗(yàn)劃痕儀使用半徑為0.2mm，錐角120的金剛石壓頭。試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)為：加載載荷為0-100N，加載速率為100N/min，劃痕長度為6mm，在相同條件下對(duì)涂層表面進(jìn)行3次不同表面位置刻劃測(cè)試。實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)行時(shí)，施加動(dòng)載為0-100N，壓頭勻速直線移動(dòng)，當(dāng)表層涂層與基體脫落時(shí)，我們稱這時(shí)所施加的載動(dòng)荷定義為臨界載荷。臨界載荷又分別定義為Lc1、Lc2和Lc3，當(dāng)涂層表面開始出現(xiàn)有裂紋的點(diǎn)時(shí)，稱這時(shí)的載荷為Lc1，當(dāng)涂層表面沿劃痕邊出現(xiàn)涂層碎裂剝離現(xiàn)象時(shí)，稱這時(shí)的載荷為Lc2；Lc3為涂層在劃痕邊出現(xiàn)表面破損時(shí)的載荷?？虅潓?shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用自動(dòng)刻痕儀上所安裝的軟件記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。完成試驗(yàn)后采用LSM

24、800型激光共聚焦顯微鏡觀看劃痕形貌并分析AlCrN的劃痕三維形貌，通過對(duì)劃痕截面輪廓曲線的分析，通過數(shù)據(jù)處理可獲得不同加載載荷下劃痕的寬度和深度值，另外本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量臨界載荷的方法主要為聲發(fā)射曲線測(cè)量法。 2.4.6 銑削性能測(cè)試方法 在德國德瑪吉立式加工中心（DMG635V）進(jìn)行切削試驗(yàn)，分別用AlCrN涂層刀具及鎢鋼（YG6X）基體刀具切削不銹鋼，研究AlCrN涂層刀具及鎢鋼（YG6X）基體刀具的切削性能及耐磨性能。 2.5 本章小結(jié) （1）采用多弧離子鍍技術(shù)制備AlCrN涂層刀具，本研究選用鎢鋼為基體，型號(hào)為YG6X；選用AlCr靶材。 （2）主要說明了本次實(shí)驗(yàn)所采用的主

25、要儀器設(shè)備，包括AlCrN涂層制備設(shè)備及方法、后續(xù)檢測(cè)設(shè)備及方法和切削實(shí)驗(yàn)所使用儀器，為之后實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備工作。 第三章 N2流量對(duì)AlCrN涂層組織結(jié)構(gòu)的影響 本章以YG6X鎢鋼為基體，制備出不同N2流量下的AlCrN涂層試樣。對(duì)四種不同N2流量下試樣表面的物相組成、顯微組織和顯微硬度等進(jìn)行了研究。通過分析不同N2流量下試樣的組織特點(diǎn)，對(duì)AlCrN涂層的形成過程及形成機(jī)理進(jìn)行了討論。 3.1不同N2流量下AlCrN涂層的物相分析 本次實(shí)驗(yàn)涂層的相結(jié)構(gòu)分析在XRD-7000型X射線衍射儀(XRD)上進(jìn)行，使用Cu靶Ka射線(λ=1.54056 A)，采用小角衍射，入射角為0.5，2θ角

26、為20-90。圖3.1為不同N2流量下AlCrN涂層的XRD圖譜，由圖3.1可以看出，不同的N2流量下，AlCrN涂層衍射峰的強(qiáng)度不同。通過對(duì)比不同N2流量下的XRD可知，在較高氣壓下，薄膜組織變得致密，結(jié)晶好，柱狀晶明顯，因此衍射峰更明顯，而低氣壓下，薄膜組織致密度低，結(jié)晶差，導(dǎo)致衍射峰比較弱。 圖3.1 不同N2流量下AlCrN涂層的XRD圖譜 3.2 不同N2流量下AlCrN涂層的顯微組織分析 圖3.2為采用多弧離子鍍制備的基體涂層的表面形貌，可以觀察到不同N2流量下表面形貌有一定區(qū)別。對(duì)比圖中黑色點(diǎn)狀、塊狀物為大顆粒，不同N2流量下大顆粒數(shù)量分布均不同；白色孔洞主要是從涂層

27、表面脫落的大顆粒物的缺陷，這是因?yàn)橥繉由洗箢w粒物與涂層基體表面結(jié)合力不牢固所導(dǎo)致的。從圖中可以明顯觀察到，當(dāng)實(shí)驗(yàn)其他條件不變化時(shí)，隨著N2流量變化，涂層表面大顆粒與白色孔洞數(shù)量也大不相同。觀察表面形貌發(fā)現(xiàn)增大N2流量時(shí)，當(dāng)N2流量達(dá)到200時(shí)，表面大顆粒數(shù)量減少明顯，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)榈獨(dú)饬髁窟^高時(shí)靶材表面可能會(huì)發(fā)生中毒現(xiàn)象，從而影響涂層表面形貌。當(dāng)N2流量為50sccm時(shí)，真空室內(nèi)氮?dú)獠荒艹浞峙c靶材發(fā)生反應(yīng)，靶材表面氮化物含量較少，中毒現(xiàn)象不明顯，相應(yīng)的靶材離化程度劇烈。同時(shí)，當(dāng)N2流量較小時(shí)，真空室內(nèi)離子碰撞較少，氮化物含量比較少。這種情況會(huì)隨著N2流量的增大而發(fā)生變化，當(dāng)N2流量增大

28、到約為150sccm時(shí)，氮化物含量最多的同時(shí)并保持與基體表面優(yōu)質(zhì)的結(jié)合力，說明N2流量影響涂層表面的結(jié)合力與氮化物含量、質(zhì)量等。 (a) (c) (d) 圖3.2 不同N2流量下AlCrN涂層的XRD圖譜 3.3 不同N2流量下AlCrN涂層的顯微硬度分析 表3.1為不同N2流量下測(cè)得AlCrN涂層的顯微硬度，從表3.1可以看出，隨N2流量的增加，AlCrN涂層的顯微硬度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。當(dāng)N2流量為150sccm時(shí)，AlCrN涂層的平均顯微硬度最大，可高達(dá)4859.1HV0.05；當(dāng)N2流量為50sccm時(shí)，AlCrN涂層的平均顯微硬度最小，約為30

29、49.6HV0.05。這是因?yàn)殡S著氮?dú)夥謮旱脑龃螅饘匐x子與氮?dú)庠谡婵帐覂?nèi)有限的空間里充分發(fā)生反應(yīng)，生成了具有適當(dāng)化學(xué)劑量比的面立方結(jié)構(gòu)體降低了離子之間的間距，因此涂層的硬度會(huì)隨著氮?dú)饬髁康脑龃蠖龃驟rror! Reference source not found.。同時(shí)隨著氮?dú)饬髁康脑龃?，可以到達(dá)基體表面的入射離子能量逐漸降低，可以到達(dá)基體表面的離子數(shù)量大幅度減少。當(dāng)?shù)獨(dú)夥謮簭?50sccm繼續(xù)增加時(shí)，真空室中大量離子游離，冷卻作用和散射作用相比較之前大幅度提升，離子達(dá)到靶材表面變得困難，效果不明顯，涂層的面立方結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松，所以涂層的硬度開始緩慢下降。 表3.1不同N2流量下AlC

30、rN涂層的顯微硬度 N2流量 /sccm 顯微硬度 /HV0.05 平均顯微硬度/HV0.05 50 3480.6 3597.6 2430.3 3161.9 2885.1 3049.6 100 3597.6 3720.6 4281.4 4281.4 3369.2 3850.1 150 5621.2 4441.5 4441.5 5180.5 4610.7 4859.1 200 3720.6 3480.6 2430.3 2643.1 2973.2 3111.1 3.4 本章小結(jié) （1）通過對(duì)比不同N2流量下AlCrN涂層的

31、XRD圖譜可知，在較高氣壓下，薄膜組織變得致密，結(jié)晶好，柱狀晶明顯，因此衍射峰更明顯，而低氣壓下，薄膜組織致密度低，結(jié)晶差，導(dǎo)致衍射峰比較弱。 （2）隨著N2流量的逐漸增大，涂層形貌發(fā)生變化，AlCrN涂層表面大顆粒數(shù)量增多。這是因?yàn)殡S著N2流量的增加，靶材氮化程度變高。當(dāng)與N2發(fā)生更加充分的反應(yīng)時(shí)，真空室內(nèi)游離的離子數(shù)量大大增加，導(dǎo)致靶材的離化程度減少，這樣會(huì)影響大顆粒產(chǎn)生數(shù)量和質(zhì)量。且隨N2流量增加，比較之前氮?dú)夥肿?、離子之間的碰撞次數(shù)大大增加，導(dǎo)致涂層沉積在工件表面的大顆粒數(shù)量減少，這時(shí)N2流量對(duì)整個(gè)涂層形成起不到有利作用，反而成為一種阻力 （3）隨N2流量的增加，AlCrN涂層的顯

32、微硬度先增后減。當(dāng)N2流量為150sccm時(shí)，AlCrN涂層的平均顯微硬度最大，可高達(dá)4859.1HV0.05。這是因?yàn)殡S著氮?dú)夥謮旱脑龃螅删哂羞m當(dāng)化學(xué)劑量比的面立方結(jié)構(gòu)體，這種面立方體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)N2分壓降低了離子間距；但是，當(dāng)?shù)獨(dú)夥謮簭?50sccm繼續(xù)增加時(shí)，金屬離子產(chǎn)生的冷卻和散射作用因?yàn)榈獨(dú)夥肿拥挠绊懚S之增強(qiáng)，所以涂層的硬度開始緩慢下降。  第四章 AlCrN涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度及摩擦磨損特性研究 材料磨損是生產(chǎn)加工過程中常見的一種損耗，由于材料磨損導(dǎo)致機(jī)器失效、刀具失效等所造成的損失正在逐年上升，降低磨損不僅可以降低成本，也可以增加加工壽命，因此，研究材料的耐磨

33、性及磨損機(jī)理進(jìn)行分析對(duì)人類工業(yè)、制造業(yè)上的進(jìn)步有著里程碑式的意義。但是通長來說一種檢測(cè)分手段分析結(jié)合力強(qiáng)度是不足以說明問題的，這時(shí)候需結(jié)合劃痕失效形貌圖和劃痕實(shí)驗(yàn)的各種信號(hào)進(jìn)行綜合評(píng)估。本章中主要討論AlCrN涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度及劃痕損傷機(jī)制，對(duì)AlCrN涂層的摩擦磨損特性及磨損機(jī)理進(jìn)行分析。 4.1 .1 AlCrN涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度 實(shí)驗(yàn)為了研究不同N2流量下AlCrN涂層的膜基結(jié)合力，在相同條件下分別測(cè)量，在測(cè)量過程中使用WS-2005型涂層附著力自動(dòng)劃痕儀，對(duì)不同N2流量下AlCrN涂層式樣施加的載荷為0-100N，加載速率為100N/m，劃痕的長度為6mm，測(cè)量方式為聲發(fā)射，運(yùn)行

34、方式為動(dòng)載，劃痕方式為單向劃痕。 圖4-1為不同N2流量下試樣表面的劃痕形貌及聲發(fā)射曲線，由圖4-1（a）中可得知，當(dāng)施加載荷約為50N時(shí)，試樣A1聲發(fā)射曲線發(fā)生明顯波動(dòng)，說明涂層破裂。同理，由圖4-1（b-d）可以發(fā)現(xiàn)不同N2流量下涂層破損時(shí)所施加的載荷大小為：f（A3）> f（A1）> f（A4）> f（A2），因此說明當(dāng)其他條件相同時(shí)，A2涂層的膜基結(jié)合力最佳，即當(dāng)N2流量為150sccm時(shí)，膜基結(jié)合力最強(qiáng)。 (a) (b) (d) (c) 圖4-1 不同N2流量下試樣表面的劃痕形貌及聲發(fā)射曲線 4.1.2 AlCrN涂層的損傷機(jī)制

35、研究 圖4.2為試樣A3（N2流量為150sccm）表面涂層的劃痕形貌，可以看出AlCrN涂層在壓頭的作用下沒有明顯的塑性變形，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性，涂層形成褶皺，剝落形式呈塊狀剝離，其主要原因在于AlCrN涂層的硬度較高。 (a) (b) (d) (c) 圖4.2 試樣A3（N2流量為150sccm）表面涂層的劃痕形貌 4.2 AlCrN涂層的摩擦磨損特性及磨損機(jī)理研究 4.2.1 AlCrN涂層的摩擦磨損特性分析 圖4.3為不同N2流量下試樣表面磨痕的三維形貌及沿某一徑向提取的磨痕輪廓線，可以看出在N2流量為150sccm時(shí)，磨痕較窄

36、較淺，具有更好的摩擦學(xué)性能，這是由于此時(shí)膜基結(jié)合力最強(qiáng)，觀察磨痕發(fā)現(xiàn)涂層的主要磨損機(jī)制為磨粒磨損與粘著磨損。當(dāng)N2流量分別為50sccm、100sccm、150sccm時(shí)，磨痕寬度和深度較大，磨痕中存在有犁溝并有一定量的磨屑?jí)簩?shí)現(xiàn)象，涂層磨損機(jī)制均為磨粒磨損和粘著磨損。 表4.1為不同N2流量下AlCrN涂層經(jīng)過摩擦磨損試驗(yàn)后的的磨損失重，從表中可以看出，當(dāng)N2流量為150sccm時(shí)，AlCrN涂層的磨損失重最小，而當(dāng)N2流量分別為50sccm、100sccm、150sccm時(shí)，AlCrN涂層的磨損失重量較大。整理數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)這寫磨損失重量與上述顯微硬度結(jié)果及磨損結(jié)果一致。 表4.1 不同N

37、2流量下AlCrN涂層的磨損失重 N2流量/sccm 重量/g 磨損前m1/g 磨損后m2/g 磨損失重Δm 50 7.7604 7.7599 0.0005 100 7.7813 7.7810 0.0003 150 7.8074 7.8072 0.0002 200 7.8236 7.8232 0.0004 (a) (d) (b) (c) 流量/sccm 50 步驟 1 2 寬度μm 98.8 98.8 最大高度μm 0.390 1.78 平均高度μm 0.224 1.65 圖4.3不同N

38、2流量下試樣表面磨痕的三維形貌及沿某一徑向提取的磨痕輪廓線（接下頁） (e) (f) 流量/sccm 100 步驟 1 2 寬度μm 165 140 最大高度μm 1.17 1.89 平均高度μm 0.758 1.65 (g) (j) (h) (i) 流量/sccm 150 步驟 1 2 寬度μm 86.1 36.8 最大高度μm 0.634 0.850 平均高度μm 0.482 0.688 (k) (l) 流量/sccm 200 步驟 1 2 寬度μm 69.

39、6 56.3 最大高度μm 4.10 2.66 平均高度μm 3.35 2.03 圖4.3 不同N2流量下試樣表面的磨痕形貌及沿某一徑向提取的磨痕輪廓線 對(duì)試樣的膜層進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定為：電機(jī)轉(zhuǎn)速為560r/min；摩擦磨損時(shí)間30min；試驗(yàn)過程中所采用的溫度24℃；平均濕度60~70%；外加載荷為5N；摩擦副為Si3N4鋼球。磨損試樣的尺寸：φ203mm，磨損半徑為3mm。 圖4.4 為不同N2流量下試樣表面涂層的摩擦磨損系數(shù)曲線。觀察圖4.4 可以發(fā)現(xiàn)，在磨損實(shí)驗(yàn)開始的前2min，涂層的摩擦系數(shù)有一個(gè)固定的范圍值。這是因?yàn)樵谀Σ翆?shí)驗(yàn)剛進(jìn)行

40、過程中，涂層相對(duì)于對(duì)磨球的對(duì)磨面的粗糙度較大，兩者接觸面積不完整有缺陷，使得摩擦系數(shù)不穩(wěn)定并且波動(dòng)。經(jīng)過一定時(shí)間的摩擦，對(duì)磨球與涂層表面接觸面積增大，兩者之間的粗糙度逐漸減小。摩擦磨損進(jìn)入平穩(wěn)摩擦，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在一個(gè)范圍小的參數(shù)附近。在2min的磨合期過后，膜層的摩擦系數(shù)開始趨于穩(wěn)定，其摩擦系數(shù)約為0.35~0.45之間（遠(yuǎn)比沒有鍍膜的刀具的摩擦系數(shù)0.7要低，且較快進(jìn)入磨合的穩(wěn)定期），且隨N2流量的增大，試樣表面涂層的摩擦磨損系數(shù)逐漸減小。 此外，由圖4.4 還可以看出，摩擦系數(shù)從波動(dòng)狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間減少，根據(jù)分析這是因?yàn)樵谳d荷的作用下對(duì)磨球與涂層表面對(duì)磨面積增大，摩擦磨損的前半部

41、分所需時(shí)間變短，涂層表面快速破損。觀察曲線發(fā)現(xiàn)，涂層摩擦磨損系數(shù)到達(dá)最終穩(wěn)定值時(shí)有減小現(xiàn)象，分析其原因發(fā)現(xiàn)這可能是因?yàn)閮蓚€(gè)對(duì)磨面在載荷的作用下相互摩擦，產(chǎn)生了大量磨損顆粒，這種顆粒的潤滑作用使得對(duì)磨球與涂層間的摩擦磨損系數(shù)降低。 圖4.4 不同N2流量下試樣表面涂層的摩擦磨損系數(shù)曲線 4.2.2 AlCrN涂層的磨損機(jī)理研究 圖4.5 為試樣A3（N2流量為150sccm）表面涂層在干摩擦條件下的磨痕光學(xué)顯微鏡形貌，觀察圖像可以看出磨損表面主要分為兩個(gè)區(qū)域，即邊界磨損區(qū)和中心磨損區(qū)，邊界磨損區(qū)域比較大，主要是粘附大量的磨屑、氧化物與涂層剝落損傷；中心磨損區(qū)比較窄，主要是磨粒磨損

42、，其中AlCrN涂層的磨損表面有大量的犁溝，被擠壓的磨屑和明顯的涂層剝落。 圖4.5 試樣A3（N2流量為150sccm）表面涂層在干摩擦條件下的磨痕光學(xué)顯微鏡形貌 4.3 本章小結(jié) 本章主要對(duì)AlCrN涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度及劃痕損傷機(jī)制、AlCrN涂層的摩擦磨損特性及磨損機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果如下： （1）當(dāng)其他條件相同時(shí)，在N2流量為150sccm時(shí)，膜基結(jié)合力最強(qiáng)。由AlCrN涂層的劃痕形貌可知，AlCrN涂層在壓頭的作用下沒有明顯的塑性變形，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性，涂層形成褶皺，剝落形式呈塊狀剝離。 （2）在N2流量為150sccm時(shí)，AlCrN涂層的磨損失重量小于其他涂層，

43、磨痕相比較下最窄較淺，其主要的磨損機(jī)制為磨粒磨損與粘著磨損。 （3）AlCrN涂層的摩擦系數(shù)約為0.35~0.45之間，且隨N2流量的增大，試樣表面涂層的摩擦磨損系數(shù)逐漸減小。在干摩擦條件下，通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)AlCrN涂層的主要磨損機(jī)制為氧化磨損、磨粒磨損及涂層剝落損傷。  第五章AlCrN涂層刀具的切削和摩擦學(xué)特性 5.1引言 自上個(gè)世紀(jì)80年代起，物理氣相沉積（PVD）技術(shù)涂層刀具的出現(xiàn)，大大的改良了生產(chǎn)制造業(yè)中的刀具性能，提高了生產(chǎn)效率，更節(jié)約了生產(chǎn)經(jīng)費(fèi)。但是隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，原始的涂層刀具無法滿足工人們的加工需求，于是各個(gè)國家積極尋找性能更加優(yōu)良的涂層刀具，因此出

44、現(xiàn)了切削性能更加良好A1CrN等涂層刀具，目前來說，A1CrN涂層刀具是商業(yè)化涂層刀具領(lǐng)域使用較為廣泛的一種 [3]。另外，為滿足高標(biāo)準(zhǔn)切削條件下對(duì)涂層刀具硬度、韌性、耐磨性和抗氧化性等要求，越來越多的研究中心開始在傳統(tǒng)的涂層中添加其他合金元素的方法來提高涂層的綜合性能，其、包括Cr、Y、V、Si、B、Hf、Nb等稀有金屬元素，未來涂層刀具發(fā)展前景不可限量。 本章通過對(duì)比對(duì)多弧離子鍍前后鎢鋼銑刀的銑削加工性能，研究A1CrN硬質(zhì)合金涂層刀具切削不銹鋼時(shí)的切削性能和摩擦學(xué)性能，觀察刀具磨損后形貌特征，為研究不同條件下涂層刀具的性能提供數(shù)據(jù)參考。 5.2銑削實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)條件與方法 在德國德瑪吉立

45、式加工中心（DMG635V）進(jìn)行銑削試驗(yàn)如圖5.1，實(shí)驗(yàn)過程中分別使用未鍍膜鎢鋼銑刀和AlCrN涂層鎢鋼刀具銑削不銹鋼，研究AlCrN涂層刀具的損傷機(jī)制和磨損特性。 圖5.1德國德瑪吉立式加工中心 試驗(yàn)條件參數(shù)設(shè)置如下： 銑削工件：不銹鋼板（1Cr18Ni9Ti）力學(xué)性能如表5.1所示； 刀具：AlCrN涂層鎢鋼刀具/未鍍膜鎢鋼刀具； 主軸轉(zhuǎn)速：560r/min； 進(jìn)給量f：0.1mm/r； 切削深度ap：0.2mm。 表5-1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼的力學(xué)性能 材料 抗拉強(qiáng)度/MPa 硬度/HB 屈服強(qiáng)度/MPa 1Cr18Ni9Ti 550

46、 160-190 200 使用夾具固定好不銹鋼板，安裝刀具后開始進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。按照給定好的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)束后將刀具夾具上取下，涂層刀具和未鍍膜刀具均通過無水乙醇進(jìn)行超聲清洗，熱風(fēng)吹干，稱重后記錄磨損失重量。完成記錄后，使用線切割機(jī)切下刀頭（如圖5.2），并結(jié)合激光共聚焦顯微鏡對(duì)刀具磨損表面和微觀結(jié)構(gòu)以及元素組成進(jìn)行觀察和分析。 圖5.2使用線切割機(jī)切下刀頭 5.3試驗(yàn)結(jié)果與討論 對(duì)切削后的刀具使用顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這兩種刀具主要磨損部位為刀尖與前刀面磨損。如圖5.3，其中未鍍膜的鎢鋼基體刀具有崩刃現(xiàn)象。 圖5.3（a）AlCrN涂層刀具與（b）未鍍膜的鎢鋼基體

47、刀具 刀具切削試驗(yàn)完量成后的失重量如表5.1所示。 表5.1刀具磨損失重 鎢鋼基體刀具 AlCrN涂層刀具 磨損前 11.1035 10.9072 磨損后 11.0951 10.8726 對(duì)比刀具磨損量和刀具顯微觀察圖發(fā)現(xiàn)：（1）涂層刀具在切削試驗(yàn)后依舊能保持較為完整的形貌，磨損部位主要為刀面與刀刃部位，刀尖部分涂層發(fā)生脫落現(xiàn)象，刀刃部位有輕微磨損。（2）未鍍膜刀具在切削試驗(yàn)后損傷嚴(yán)重，刀尖發(fā)生崩刃現(xiàn)象，前刀面磨損嚴(yán)重，基體出現(xiàn)裂紋并且脫落。（3）涂層刀具在切削試驗(yàn)后的失重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未鍍膜刀具，說明涂層刀具表面有更良好的耐磨性能。 5.4刀具

48、磨損機(jī)理分析 圖5.4為AlCrN涂層刀具和未鍍膜刀具在V=650r/min，f=0.1mm，ap=0.2mm條件下銑削不銹鋼后刀面的磨損形貌。從圖中可以看出，前刀面有各種大小不一的褐色斑點(diǎn)，并有大量的粘結(jié)物，一般來說，這些粘結(jié)物是刀具與在工件不斷接觸時(shí)，由于摩擦力過大，來自于較軟材料上的脫落物，這些切削從粘在刀面的底層上流過，行成內(nèi)摩擦，在一定溫度下，底層金屬發(fā)生變形，不斷地與金屬粘結(jié)斷裂從而影響刀具質(zhì)量。根據(jù)形貌圖中可以看出，刀尖部分涂層損耗較多，發(fā)生脫落現(xiàn)象，并且隨之出現(xiàn)明顯的斷層現(xiàn)象，因此可以分析為涂層刀具刀面磨損形式主要為粘著磨損，同時(shí)伴有一定量的磨料磨損，局部出現(xiàn)微崩刃，刀刃部分

49、涂層剝落后露出部分基體，損壞刀具。 圖5.4（a）AlCrN涂層刀具與（b）未鍍膜的鎢鋼基體刀具的磨損形貌 在銑削過程中，表面首先會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，分析這種現(xiàn)象是因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)力沖擊刀具涂層表面，導(dǎo)致涂層與基體結(jié)合處發(fā)生損傷。隨著銑削過程的進(jìn)行，結(jié)合處的裂紋會(huì)迅速擴(kuò)散，當(dāng)這些裂紋逐漸擴(kuò)散入基體內(nèi)部時(shí)，基體表面涂層損傷嚴(yán)重，將開始出現(xiàn)淺層剝落，此時(shí)刀具仍然可以切削，但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，基體表面上中的裂紋逐漸擴(kuò)散，慢慢形成了網(wǎng)狀裂紋，可能會(huì)出現(xiàn)深層剝落（如圖5.5），深層剝落會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷刀具表面，涂層大面積將失去作用，道具無法使用失效。 此外，在工件銑削過程中，由于工件與刀具的反復(fù)接觸摩擦產(chǎn)生

50、高溫，此時(shí)AlCrN薄膜可能會(huì)與空氣中的氧分子發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大的氧化硬質(zhì)顆粒，這些氧化硬質(zhì)顆粒會(huì)附著在涂層刀具表面，可能加劇刀具表面的磨粒磨損，破壞涂層，使刀具磨損加劇，減少刀具壽命。 圖5.5 AlCrN涂層刀具 5.5本章小結(jié) 基于德國德瑪吉立式加工中心（DMG635V）進(jìn)行銑削試驗(yàn)，使用同種型號(hào)，未鍍膜鎢鋼銑刀和AlCrN涂層鎢鋼刀具銑削不銹鋼進(jìn)行銑削試驗(yàn)，在同樣的條件下對(duì)不銹鋼進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明： （1）進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)其他試驗(yàn)條件完全相同時(shí)，N2流量為150sccm，涂層刀具的摩擦磨損系數(shù)最優(yōu)，同時(shí)觀察切削后的刀具表面形貌發(fā)現(xiàn)所受損傷最小。 （

51、2）進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)刀具表面磨損形貌可以看出涂層刀具的性能明顯優(yōu)于未鍍膜刀具的性能，主要表現(xiàn)為涂層刀具的耐磨性，抗氧化性和硬度都要強(qiáng)于未鍍膜刀具。 （3）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)涂層刀具基體表面發(fā)生磨損時(shí)，四種涂層刀具的磨損形態(tài)基本相近，主要為前刀面磨損和后刀面磨損。磨損部位多出現(xiàn)于前刀面和刀刃，其磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘著磨損，機(jī)械應(yīng)力損耗和氧化磨損。  結(jié)論 本文利用多弧離子鍍技術(shù)，采用AlCr合金靶材在鎢鋼表面沉積AlCrN涂層，研究不同N2流量對(duì)AlCrN涂層顯微組織及性能的影響，并選擇最佳工藝參數(shù)制備具有AlCrN涂層的鎢鋼刀具，研究了AlCrN的顯微硬度、基體結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性等參數(shù)。

52、通過切削試驗(yàn)與未鍍膜刀具進(jìn)行對(duì)比，研究了涂層刀具的損傷機(jī)制,得出以下結(jié)論： （1）通過對(duì)比不同N2流量下的AlCrN涂層的XRD可知，不同氮?dú)鉂舛认翧lCrN薄膜的形貌，致密度不同，在較高氣壓下，薄膜組織變得致密，結(jié)晶好，柱狀晶明顯，因此衍射峰更明顯，而低氣壓下，薄膜組織致密度低，結(jié)晶差，導(dǎo)致衍射峰比較弱。 （2）通過顯微硬度觀察發(fā)現(xiàn)隨N2流量的增加，AlCrN涂層的顯微硬度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)N2流量為150sccm時(shí)，AlCrN涂層的平均顯微硬度最大。這是因?yàn)殡S著氮?dú)夥謮旱脑龃?，圖層表面生成具有適當(dāng)化學(xué)劑量比的面立方結(jié)構(gòu)體，降低了離子間距；因此涂層硬度也隨之增大。但是，當(dāng)?shù)獨(dú)夥謮撼掷m(xù)

53、增加至臨界點(diǎn)時(shí)，氮?dú)夥肿訉?duì)金屬離子產(chǎn)生的冷卻和散射作用也隨之增強(qiáng)，這時(shí)對(duì)圖層表面影響巨大，導(dǎo)致涂層的硬度下降。 （3）通過劃痕損傷鑒定發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件相同時(shí)，在N2流量為150sccm時(shí)，膜基結(jié)合力最強(qiáng)。由AlCrN涂層的劃痕形貌可知，AlCrN涂層在壓頭的作用下沒有明顯的塑性變形，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性，涂層形成褶皺，剝落形式呈塊狀剝離。 （4）通過摩擦磨損試驗(yàn)可得知AlCrN涂層的摩擦系數(shù)約為0.35~0.45之間，且隨N2流量的增大，試樣表面涂層的摩擦磨損系數(shù)逐漸減小。同時(shí)如果摩擦磨損在干摩擦的條件下進(jìn)行，那么AlCrN涂層的主要磨損機(jī)制為磨粒磨損、氧化磨損及涂層剝落損傷。 （5）通過銑削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AlCrN涂層刀具的硬度、耐磨性等均強(qiáng)于未鍍膜刀具，切削速度提升效果顯著。通過試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)切削過程中涂層刀具的主要磨損形態(tài)為：前刀面磨損、后刀面磨損，當(dāng)涂層刀具表面發(fā)生磨損時(shí)，首先切削刃刀刃處涂層發(fā)生破損，出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，然后涂層與基體共同磨損，高速摩擦下，切屑與刀具發(fā)生粘結(jié)作用，涂層上的網(wǎng)狀裂紋表面間隙增大，涂層表面大量剝落，最后基體上的涂層在粘結(jié)磨損和氧化磨損的共同作用下作用下快速磨損。實(shí)驗(yàn)過后觀察刀具主要磨損機(jī)理有三種，其中包括粘著磨損、機(jī)械應(yīng)力和氧化磨損。