隨著納米技術(shù)的發(fā)展和涂鍍技術(shù)的進(jìn)步,納米刀具涂層材料也引起的廣大研究者的關(guān)注饼暑。納米涂層主要有兩種:納米多層結(jié)構(gòu)和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。納米多層涂層一般由高層數(shù)的同種結(jié)構(gòu)材料锹杈、化學(xué)鍵和原子半徑及點(diǎn)陣常相近的各單層材料組成,可能得到與組成它的各單層涂層的性能差異顯著的全新涂層撵孤。這是一種人為可控的一維周期結(jié)構(gòu),交替沉積單層涂層不超過5～15nm。Chu和Barnett認(rèn)為,納米多層涂層的高硬度主要是由于層內(nèi)或?qū)娱g位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難所致竭望。當(dāng)涂層非常薄時(shí),兩層間的剪切模量不同,如果層間位錯(cuò)能量有較大差異,則層間位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難,即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能量決定了超點(diǎn)陣涂層的硬度邪码。

納米多層涂層的結(jié)構(gòu)主要有三種方式:(1)金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層交替涂覆裕菠；(2)金屬AlN納米層與金屬AlCN納米層交替涂覆；(3)金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層及金屬AlCN納米層交替涂覆闭专。涂層過程中均可添加其他金屬元素(如鈦奴潘、鈮、鉿影钉、釩画髓、鉭、鋯或鉻),以進(jìn)一步提高涂層的硬度平委、化學(xué)穩(wěn)定性奈虾、韌性和抗氧化性能。研究表明,對(duì)于TiN/AlN納米多涂層,當(dāng)層厚為2～4nm時(shí),AlN呈現(xiàn)立方NaCl結(jié)構(gòu),涂層顯微硬度達(dá)到30～40GPa,其抗氧化溫度達(dá)到1000℃,采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制得的AlN/TiAlN納米多層膜具有高硬度廉赔、高附著力和高耐磨性以息。

納米多層涂層雖然達(dá)到了較高的硬度,但研究認(rèn)為納米多層涂層的性能與涂層的周期膜厚有很大關(guān)系,當(dāng)在形狀復(fù)雜的刀具或零件表面沉積納米多層膜時(shí),很難控制各層的膜厚,同時(shí)在高溫工作環(huán)境下各層間的元素相互擴(kuò)散也會(huì)導(dǎo)致涂層性能下降,而采用單層的納米復(fù)合涂層能解決這些問題。德國(guó)材料科學(xué)家Veprek等根據(jù)Koehler的外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)理論,提出了納米復(fù)合超硬涂層的理論和設(shè)計(jì)概念,并在由等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備的Ti-Si-N(nc-TiN/a-Si3N4)系統(tǒng)中被證實(shí),同時(shí)nc-W2N/a-Si3N4和nc-VN/a-Si3N4也都表現(xiàn)出了良好的機(jī)械性能祥怖。以nc-TiN/a-Si3N4為代表的納米復(fù)合超硬材料,以其優(yōu)異的性能,如超高硬度兴题、高硬高韌性及低的摩擦系數(shù)等,引起了人們的極大興趣。Zhang用離子束沉積了nc-TiN/a-Si3N4納米復(fù)合涂層,并系統(tǒng)的研究了其微觀結(jié)構(gòu)抽胁、表面形貌和力學(xué)性能噩檬。結(jié)果顯示,在Si含量11.4%時(shí)復(fù)合涂層達(dá)到最大值42GPa。Kim等研究了閉合場(chǎng)非平衡磁控反應(yīng)濺射TiAlSiN涂層,由納米晶的TiAlN和非晶態(tài)的Si3N4組成,顯微硬度及彈性模量約為42和490GPa喜即。Nakonechan等用陰極弧PVD制備了(Ti,Si,Al)N涂層,最大硬度38～39GPa肾轨。Ribeiro等研究了離子轟擊對(duì)(Ti,Si,Al)N涂層的影響,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在TiAlN和SiNx相,并形成了nc-TiN/a-Si3N4復(fù)合納米結(jié)構(gòu),增加離子轟擊可使硬度從30GPa增大到45GPa。

盡管這些納米結(jié)構(gòu)的涂層大多是實(shí)驗(yàn)室里的結(jié)果,但其結(jié)果顯示出了納米結(jié)構(gòu)涂層在金屬切削中的良好前景套芦。

日本住友公司開發(fā)的AC105G,AC110G等牌號(hào)的ZX涂層是一種TiN與AlN交替的納米多層涂層,層數(shù)可達(dá)2000層,每層厚度約為1nm群鞭。這種新涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高,涂層硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剝離性強(qiáng),而且可顯著改善刀具表面粗糙度,其壽命是TiN、TiAlN涂層的2～3倍咖迄。Balzers公司開發(fā)并已被應(yīng)用的FUTUNANANO和FUTUNATOP是兩種TiAlN納米結(jié)構(gòu)涂層,涂層硬度平均為HV3300,開始氧化溫度為900℃。瑞士Platit公司開發(fā)納米多層涂層,以AlN作為主層,TiN-CrN為中間層,兩者相互交替形成多層結(jié)構(gòu)酝侯。試驗(yàn)表明,當(dāng)周期為7nm時(shí)涂層的硬度達(dá)到最高,約45GPa溉浙。該公司利用LARC?(LateralRotatingARC-Cathodes)技術(shù)開發(fā)的新一代nc-TiAlN/(a-Si3N4)納米復(fù)合涂層是在強(qiáng)等離子體作用下,3nm的TiAlN晶體被鑲嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi),在晶粒之間為1nm厚的Si3N4,這種結(jié)構(gòu)使涂層硬度可達(dá)到50GPa,且高溫硬度更是十分突出,當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí),其硬度值仍可保持在30GPa。日立公司最近也開發(fā)了采用納米結(jié)晶材料組成TH涂層(TiSiN),實(shí)現(xiàn)了耐高溫和高硬度性,從預(yù)硬鋼到淬火鋼的高速切削加工,高效加工中有顯著的優(yōu)越性,加工效率提高2倍以上,與常用涂層比較,切削加工時(shí)由于耐高溫,所以最適合干銑削加工蒋荚。同時(shí)日立公司還開發(fā)了納米結(jié)構(gòu)適用于軟鋼的加工領(lǐng)域的CS涂層(CrSiN)戳稽。三菱綜合材料神戶工具生產(chǎn)的“IMPACTMIRACLE立銑刀”采用先進(jìn)的單相納米結(jié)晶(Al,Ti,Si)N涂層,氧化溫度達(dá)到了1300°,與基材的結(jié)合力達(dá)100N,在加工HRC60左右的高硬度材料時(shí),可大幅延長(zhǎng)刀具的壽命。

Cemecom公司新的納米結(jié)構(gòu)Supernitrides涂層成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素期升。這類涂層將硬質(zhì)涂層卓越的抗磨損性能及傳統(tǒng)的氧化涂層所具有的化學(xué)穩(wěn)定性完美地結(jié)合起來,在應(yīng)用中表現(xiàn)出極佳的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性惊奇。涂層的形態(tài)及構(gòu)成(例如鋁含量、結(jié)構(gòu)播赁、表面光潔程度等)可根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)颂郎。對(duì)多種不同的被加工材料(如CGI吼渡、42CrMo4、鑄鐵乓序、工具鋼等)進(jìn)行鉆削寺酪、銑削、滾削和車削加工測(cè)試的結(jié)果證實(shí)了Supernitrides涂層的優(yōu)越性能替劈。

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