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涂层技术、刀具材料、刀具设计与制造三者已成为切削刀具的三大关键技术。机械加工不断向高速化、高效化、高精化、干切削、硬切削等方向发展,对涂层和刀具材料提出了更高的要求,即涂层具有高硬度、高耐磨性、高韧性、优良的耐腐蚀性、附着性和抗高温氧化性等,且要求基体材料具有良好的强度和韧性,以及两者之间良好的物化匹配性。针对以上需求,本文率先在国内采用巴尔查斯-美科的先进PVD技术(包括先进等离子体辅助电弧技术,简称APA-Arc;高离化等离子体辅助涂层技术,简称HIPAC)在硬质合金(包括YG6、YG8、YT14、N01)上沉积TiN、TiCN和AlTiN系列硬质膜,并借助多种现代检测手段对各种硬质膜的成分与结构、主要力学性能和关键技术指标进行了系统表征和对比分析,主要试验结果如下:在前期研究基础上,优化了APA-Arc沉积工艺,在市售镜面光YG8硬质合金上分别沉积了TiN、TiCN和AlTiN三种硬质膜(基体一维旋转)。其中,成分梯度TiCN硬质膜的沉积采用逐渐增加气体流量和降低基体偏压的方式,AlTiN硬质膜的沉积采用逐渐增加基体偏压的方式。形貌观察结果表明,TiN、TiCN和AlTiN三种硬质膜均呈现大颗粒和孔洞较少的光滑平整表面,膜厚分别为6.5μm、4.2μm和6.2μm,沉积速率均较高,横截面断口形貌均呈细小的短柱状晶结构,与基体“锁合(interlock)”良好。X射线衍射分析结果表明,三种硬质膜均为B1-NaCl结构,其中TiN硬质膜呈(111)、(220)晶面择优取向,TiCN硬质膜呈(111)晶面择优取向,AlTi N硬质膜呈(200)晶面择优取向。成分分析结果表明,三种硬质膜的原子比符合预设的薄膜成分,其中,AlTiN硬质膜的Al/Ti比接近靶材成分。硬度测试结果表明,三种硬质膜的硬度分别达24.45GPa、34.36GPa和33.82GPa。划痕试验结果表明,三种硬质膜附着性好,脱落时膜基结合力Lc2值分别达19.8N、21.2N和24.3N(压头顶角半径100μm),等效于文献报道Lc2值79.2N、84.8N和97.2N(压头顶角半径200μm)。电化学试验结果表明,三种硬质膜对基体的保护效率分别达96.1%、91.3%和94.3%。800℃高温氧化试验结果表明,添加C元素和Al元素后,TiN基硬质膜的热稳定性能依次提高。粗糙度测试结果表明,三种硬质膜的表面粗糙度Ra值0.16~0.21μm(原始基体为0.14μm)。接触角测试结果表明,三种硬质膜与水的接触角范围68.8?~82.3?。在YT14硬质合金上采用APA-Arc技术分别沉积了不同Al含量的AlTiN硬质膜(包括Al0.55Ti0.45N、Al0.67Ti0.33N硬质膜,基体一维旋转),并与深圳某公司采用Platit镀膜设备沉积的Al0.60Ti0.40N硬质膜进行了对比研究。形貌观察结果表明,Al0.55Ti0.45N和Al0.67Ti0.33N硬质膜表面大颗粒和孔洞的数量明显较Al0.60Ti0.40N硬质膜少,膜厚分别为7.6μm、6.0μm和1.8μm,横截面断口形貌均呈现细小的柱状晶结构,与基体“锁合”良好,且随着Al含量的增加,晶粒尺寸减小。X射线衍射分析结果表明,三种硬质膜均为B1-NaCl结构,其中Al0.55Ti0.45N和Al0.67Ti0.33N硬质膜均呈(200)晶面择优取向,Al0.60Ti0.40N硬质膜呈(200)、(220)晶面择优取向。成分分析结果表明,三种硬质膜Al/Ti比接近靶材成分。硬度测试结果表明,三种硬质膜的硬度分别达33.77GPa、30.84GPa和25.97GPa。划痕试验结果表明,三种硬质膜附着性好,脱落时膜基结合力Lc2值分别达24.1N、22.2N和18.1N(压头顶角半径100μm),等效于文献报道Lc2值96.4N、88.8N和72.4N(压头顶角半径200μm)。电化学试验结果表明,三种硬质膜对基体的保护效率分别达77.1%、84.0%和61.8%。800℃高温氧化试验结果表明,三种硬质膜的抗高温性能良好。粗糙度测试结果表明,三种硬质膜的表面粗糙度Ra值0.13~0.18μm(原始基体为0.21μm)。接触角测试结果表明,三种硬质膜与水的接触角范围73.5?~79.0?。综合看来,Al0.55Ti0.45N硬质膜的综合性能最佳。在YG6、YT14和N01硬质合金上采用HIPAC技术沉积TiN纳米薄膜(基体二维旋转)。形貌观察结果表明,薄膜与基体的表面形貌均呈“共形(conformal)”特征,表面致密、光滑、无大颗粒,膜厚为350nm~470nm,横截面断口形貌均呈现纳米尺寸的柱状晶结构,与基体“锁合”良好。X射线衍射分析结果表明,YG6和N01硬质合金表面TiN薄膜均呈(111)和(220)晶面择优取向,而YT14硬质合金表面TiN薄膜呈(111)晶面择优取向。成分分析结果表明,三种硬质合金表面沉积TiN薄膜成分的原子比均相近。粗糙度测试结果表明,三种硬质合金表面沉积TiN薄膜后Ra值变化较小。接触角测试结果表明,三种硬质合金表面沉积TiN薄膜后与水的接触角范围89.8?~92.5?。