MoS-Ti及CrTiAlN+MoS-Ti复合涂层组织和性能的研究

摘要

封闭场非平衡磁控溅射离子镀技术处理温度低、工件不易变形、工艺操作简单、可以控制涂层的成分和结构，另外该技术还综合了离子镀结合力强的优点，可以制备出结构适合、性能卓越的新型梯度涂层，以满足刀具涂层复杂的服役条件。封闭场非平衡磁控溅射离子镀技术可作为最终处理工艺用于高速钢刀具的涂层。 本文采用封闭场非平衡磁控溅射离子镀技术在国产W6Mo5Cr4V2高速钢基体上制备了CrTiAlN、MoS2-Ti、CrTiAlN+MoS2-Ti涂层。通过引入中间过渡层的方法来提高涂层与基体的结合强度。综合利用了金相显微镜、电子探针(EPMA)、X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、差热分析(DTA)等技术手段对复合涂层的表面形貌、成分分布、微观结构和热稳定性进行了表征和研究。 结果表明，CrTiAlN涂层是由纳米晶组成的，晶粒尺寸约为l0～30nm。CrTiAlN涂层的显微硬度约为2450HV0.025。CrTiAlN涂层的组成相都是面心立方结构的(Cr，Ti，Al)N固溶体相，固溶体的(111)晶面具有很强的择优生长的趋势。钛、铝、铬在溅射中与氮作用，形成的TiN、AIN与CrN具有相同的晶格结构、相近的晶格常数，可以形成共格界面，提高涂层与基体的结合强度。金属铬打底和钛、铝的成份递变对涂层顶层提供了足够的结合强度和硬度支撑，氮元素与基体不接触，避免涂层的脆化现象。钛原子和铝原子使固溶体晶格发生畸变，产生置换固溶强化，使涂层具有较高的硬度。铬和铝能在涂层表层形成Al2O3、Cr2O3保护膜，能防止涂层的进一步氧化，提高涂层的热稳定性。 MoS2-Ti涂层是由纳米晶和非晶组成的。涂层的硬度为980HV0.025。X-射线衍射发现易滑移面(002)晶面占主导地位，使涂层具有较低的摩擦系数。MoS2-Ti涂层的氧化温度约为503.8℃，远远高于纯MoS2的315℃。钛的加入可以降低MoS2-Ti复合涂层中氧杂质的含量，减少涂层中的空洞和孔隙，提高涂层的致密性，钛还可以起到固溶强化的作用，提高涂层的强度、硬度。钛被氧化后，生成氧化物保护膜，可以延缓涂层中Mo的氧化速度，提高涂层的热稳定性。 CrTiAlN+MoS2-Ti涂层是纳米晶和非晶组成。CrTiAlN＋MoS2-Ti涂层的硬度为1150HV0.025。CrTiAlN十MoS2-Ti涂层的氧化温度约为507.3℃。高硬度的CrTiAlN层构成了具有保护作用的骨架，能够延缓由塑性变形造成的MoS2-Ti涂层过早撕裂和剥落，提高复合涂层的强度和硬度；MoS2-Ti涂层可以起到自润滑作用，降低涂层的摩擦系数；多层结构的界面效应，可以提高涂层的硬度、改善涂层韧性和抗裂纹扩展能力；涂层中非晶相的存在，也有利于提高涂层的韧性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题的意义

1.2耐磨涂层的制备技术

1.2.1化学气相沉积

1.2.2物理气相沉积

1.3耐磨涂层的发展现状

1.3.1硬涂层

1.3.2软涂层

1.3.3硬软复合涂层

1.4耐磨涂层的作用机理和影响因素

1.4.1刀具磨损的原因

1.4.2耐磨涂层的作用机理

1.4.3影响涂层刀具性能的因素

1.5本课题的背景和由来

1.6本课题的研究内容

第二章实验方法及原理

2.1封闭场非平衡磁控溅射离子镀原理与设备

2.1.1封闭场非平衡磁控溅射离子镀原理

2.1.2封闭场非平衡磁控溅射离子镀设备

2.2差热分析

2.2.1差热分析简介

2.2.2差热分析仪原理

2.3涂层试样的制备

2.3.1基体材料的选取与基体预处理

2.3.2涂层沉积工艺设计

2.4分析测试方法

2.4.1涂层硬度的测量

2.4.2金相显微分析

2.4.3电子探针分析(EPMA)

2.4.4 X射线衍射分析(XRD)

2.4.5透射电镜分析(TEM)

2.4.6差热分析(DTA)

第三章CrTiAlN涂层的结构和热性能研究

3.1 CrTiAlN涂层表面形貌

3.2 CrTiAlN涂层的显微硬度

3.3 CrTiAlN涂层的成分及组织结构

3.3.1 CrTiAlN涂层的成分分析

3.3.2 CrTiAlN涂层的相分析

3.3.3 CrTiAlN涂层的TEM分析

3.4 CrTiAlN涂层的差热分析

3.5讨论分析

3.6本章小结

第四章MoS2-Ti涂层的结构和热性能研究

4.1 MoS2-Ti涂层表面形貌

4.2 MoS2-Ti涂层的显微硬度

4.3 MoS2-Ti涂层的成分及组织结构

4.3.1 MoS2-Ti涂层的成分分析

4.3.2 MoS2-Ti涂层的相分析

4.3.3 MoS2-Ti涂层的TEM分析

4.4 MoS2-Ti涂层的差热分析

4.5讨论分析

4.6本章小结

第五章CrTiAlN+MoS2-Ti涂层的结构和热性能研究

5.1 CrTiAlN+MoS2-Ti涂层表面形貌

5.2 CrTiAlN+MoS2-Ti涂层的显微硬度

5.3 CrTiAlN+MoS2-Ti涂层的成分及组织结构

5.3.1 CrTiAlN+MoS2-Ti涂层的成分分析

5.3.2 CrTiAlN+MoS2-Ti涂层的相分析

5.3.3 CrTiAlN+MoS2-Ti涂层的TEM分析

5.4 CrTiAlN+MoS2-Ti涂层的差热分析

5.5讨论分析

5.6本章小结

第六章结论

参考文献

致谢