硬质合金刀具表面TiN涂层的制备及其性能研究-开题报告

CQWU/JL/JWB/ZY012-14毕业论文(设计)开题报告学院：材料与化工学院年级：2011级专业(班)：金属材料工程学号：学生姓名：指导教师：论文题目：硬质合金刀具表面TiN涂层的制备及其性能研究2015年3月14日重庆文理学院本科毕业论文（设计）开题报告论文题目硬质合金刀具表面TiN涂层的制备及其性能研究院（系）专业材料与化工学院金属材料工程年级2011级开题日期2015.3.14学号姓名指导教师1、选题目的和意义：硬质合金作为工具材料，高硬度、高强度、耐磨损、耐腐蚀、高弹性模量等是它的基本性能[1]。硬质合金是当下重要的刀具材料，刀具的使用效果主要受表面涂层、基体材料、以及刀具的几何参数影响，其中刀具表面涂层的影响尤为重要。涂层刀具是利用气相沉积法在高速钢（HSS）、硬质合金以及陶瓷（金属陶瓷）等基体表面沉积一层或多层难熔金属或非金属化合物薄膜而获得的。涂层刀具，能较好的解决刀具存在的强度和硬度之间的矛盾，这是切削刀具发展的一次革命[2]。本课题通过中频磁控溅射和热蒸发镀复合技术制备TiN薄膜，并通过掺入不同量的Al研究Al对TiN涂层结构和性能的影响。目的：涂层作为一个化学屏蔽和热屏蔽，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应从而减少了月牙槽磨损。涂层表面硬度高、耐热、耐磨、耐氧化、化学性能稳定、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时延长刀具使用寿命3-5倍，提高切削速度20%-70%，提高加工精度0.5-1级，降低刀具消耗费用20%-50%。TiN薄膜是一种最常见的机械功能薄膜，它具备高硬度、低摩擦系数等特点，广泛应用于刀具表面[3]。然而TiN在高温下易氧化成TiO2，降低耐磨性，并与被加工材料发生扩散，使得薄膜劣化，故限制了TiN涂层高温加工领域应用。研究表明在TiN中掺杂Al能提高薄膜热稳定性和抗高温氧化性，同时也不降低硬度和耐磨性。意义：发达国家涂层刀具占70%-80%，涂层刀具已经成为现在高端刀具的标志。中国是全球最具发展潜力的刀具大市场，但我国涂层刀具基本靠向欧美国家进口，国内生产涂层刀具在质量和产量不具竞争力。同时中国刀具高端市场被欧洲、日本跨国企业长期占据。在国家经济建设需要刀具行业快速发展、国家产业政策需要高技术含量的刀具为中国装备制造业服务的大环境下，研究硬质合金表面涂层刀具提高刀具表面硬度、耐磨性、耐热性及耐氧化等性能从而提高国产硬质合金刀具质量和寿命来替代日欧进口刀具的依赖。Sandvik公司作了一个估算：假如美国制造业普遍提高切削效率20%，每年可节约制造成本150亿美元，相当于目前美国全年刀具总费用(30亿美元)的五倍。可见研究高效涂层刀具对制造业的发展所能产生的重大影响远远超出其自身的价值。2、国内外研究现状综述：1969年，西德克虏伯公司和瑞典山特维克公司研制的TiC涂层硬质合金刀片初次投入市场。1970年后，美国、日本和其他国家也纷纷开始生产这种刀片[4]。2.1TiN薄膜研究T.An等人[5]在通过反应磁控溅射的方法制备多晶TiN/SiNx多层薄膜实验中发现：在N2/Ar较低时，TiN和SiNx之间的界面很光滑且TiN薄膜呈（200）择优取向，在N2/Ar较高时，它们之间的界面则比较粗超且TiN薄膜呈（111）择优取向。具有TiN(111)择优取向的TiN/SiNx多层薄膜的硬度大于具有TiN（200）择优取向的TiN/SiNx多层薄膜的硬度。徐哲等人[6]测试了各种工艺参数下磁控溅射制备TiN薄膜的显微硬度，并研究了TiN薄膜硬度随偏压、N2流量及溅射功率的变化．实验结果表明：N2流量对薄膜性能和结构影响较大，随着N2流量的增加，氮化钛薄膜的硬度先急剧上升，到15mL／s时达到最大值，然后氮化钛薄膜硬度平缓下降，在无偏压的情况下，氮化钛薄膜的硬度很低，加偏压后，由于离子轰击作用，薄膜硬度增加，但过高的负偏压反而会降低氮化钛薄膜硬度。王有欣等[7]研究了沉积时间、N2流量对薄膜的结晶致密程度影响，溅射功率对薄膜腐蚀性的影响，表明当流量为15mL/min,溅射功率为4kw时TiN薄膜结晶最致密，而溅射功率为4kw时薄膜具有较好的耐腐蚀性。2.2（Ti,Al）N薄膜研究刘阳[8]研究表明：(Ti,Al)N涂层为面心立方的平直的柱状晶。王永康等[9]的研究表明氮化钛铝涂层主要由(Ti,Al)N相组成，(Ti,Al)N与TiN结构相似,同为面心立方结构。由于Al原子半径为rAl=0.143nm，而Ti原子半径为rTi=0.146nm，两者相差很小，因此Al原子完全可能进入面心立方的TiN单胞中，取代部分Ti原子，形成(Ti,Al)N相。IsutomuIkeda[10]用阴极电弧离子镀法制备出(Ti,AI)N薄膜。Shew[11]用反应溅射法制备(Ti,AI)N薄膜。都得到较好的机械性能。Lee[12]用PECVD法制备出不同成分的(Ti,AI)N薄膜,发现铝含量对膜的硬度、结合强度、高温稳定性以及膜的结构有很大影响。王永康等人[13]发现随着涂层中Al含量的不同，各涂层的抗高温氧化性能不同，含Al量为30%时抗高温氧化性能优越。陈佳荣等[14]比较了(Ti0.4Al0.6)N涂层和(Tio.55A10.45)N涂层抗氧化性能。氧化后Al含量较高的(Ti0.4Al0.6)N涂层的Al2O3和TiO2含量较低，表面的氧化物颗粒尺寸也较小。(Ti0.4Al0.6)N涂层抗氧化性能优于(Tio.55A10.45)N涂层。Ding[15]在试验中得到随着(Ti,Al)N涂层中Al含量增加，磨痕深度减小，耐磨性提高。乔学亮等[16]利用刚性球体压入法测定了(Ti,Al)N薄膜的表面脆性。试验结果表明：随着薄膜中Al含量的增加(Ti,A)IN薄膜的表面脆性不断降低，当Al含量在22.5%-30%的范围内时薄膜的表面脆性最低。顾艳红等人[17]发现Al的引入使膜层的硬度明显提高。随着Al含量增加，GCr15与(Ti，Al)N膜层之间的摩擦因数下降，减摩性能提高，耐磨性能增强。(Ti,Al)N涂层可以显著提高硬质合金刀具的使用寿命。李佳等人[18]指出当Ti和Al的比例近似为1:1时，(Ti,Al)N涂层将获得优越的综合使用性能。3、选题研究内容：1)了解刀具的使用工况；2）利用中频磁控溅射和热蒸发镀复合设备，通过改变溅射电流，制备不同Al含量的(Ti,Al)N薄膜；3）利用性能检测设备，检测不同Al含量的各项性能指标；4）对测得数据进行分析，得出Al掺杂对涂层结构性能的影响。4、本选题研究技术路线、研究方法和要解决的关键问题4.1技术路线膜基结合力摩擦磨损检测高温性能检测XRD检测SEM检测维氏显微硬度分析讨论得出结论样品制备预处理涂层制备调节中频溅射电流得到涂层样品结构分析性能检测退镀不满足测试条件。（如脱落比较严重）差异检测退镀4.2研究方法利用中频磁控溅射和热蒸发镀复合设备，通过设定工艺参数，制备TiN薄膜,并通过改变溅射电流，制备不同Al含量的(Ti,Al)N薄膜；采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等对薄膜的物相结构进行表征；采用X射线能谱仪（EDS）对薄膜的成分进行表征。采用光学显微镜观察压痕边缘裂纹比较膜基结合力；采用维氏显微硬度测得涂层表面硬度；以及摩擦磨损和高温性能的检测。并对各项性能进行分析。4.3待解决的关键问题探索Al含量对涂层结构性能的影响。5、调研计划及主要参考文献5.1调研计划1)、2014.12.10-2015.1.5确定选题、收集文献资料；2）、2015.1.5-2015.1.10撰写开题报告与拟开题时间；3)、2015.1.11-2015.1.20熟悉设备，制备样品，制定实验方案；4)、2015.1.20-2015.3.1涂层制备，结构性能检验；5)、2015.3.2-2015.4.28论文写作、论文修改；6）、2015.4.29-2015.5.9提交论文、论文答辩。5.2参考文献[1]郑莉芬.硬质合金刀具表面涂层的制备及性能研究[D].江苏科技大学,2010.[2]现代刀具涂层制备技术的研究现状[J].表面技术,2008,(37)2:71-74.[3]陈建国,程宇航,游少鑫,吴一平,乔学亮.(Ti,Al)N薄膜的制备及性能[J].表面技术,1998,04:15-17.[4]于启坳.新型硬质合金—表面涂层硬质合金[J].机械工程师,2001,(6):67-69.[5]T.An,H.W.Tian,M.Wenetal,StructuresandmechanicalpropertiesofTiN/SiNxmultilayerfilmsdepositedbymagnetronsputteringatdifferentN2/ArgasflowratiosVacuum,82(2008):1187-1190.[6]徐哲,席慧智,阮霞.磁控溅TiN薄膜工艺参数对显微硬度的影响[J].应用科技,2007,05:1-3+15.[7]王有欣,毛明旭,王英才,单玉桥.直流磁控溅射法在玻璃基片上制备TiN薄膜[J].中国表面工程,2013,26(2).[8]刘阳.(Ti,Al)N涂层的织构特征和切削性能研究[J].硬质合金,2006,04:215-217.[9]王永康,夏立芳,雷廷权,熊仁章,白羽.TiAlN/Ti多元复合涂层的截面透射电镜研究[J].兵器材料科学与工程,2000,06:12-15.[10]IsutomuIkeds.ThinSolidFilms,1991;105(1):99.[11]Bor-YunShew,Jow-LayHuang.Surf.Coat.Technol.1995;71(1);30.[12]Sang-HyeobLee.Jung-JoongLee.J.V.Soi.Technol.1995;13A(4):2030.[13]王永康,熊仁章,李炳生,雷廷权,夏立芳.Al对Ti_(1-x)Al_xN涂层高温氧化动力学的影响[J].宁波大学学报(理工版),2002,03:39-41.[14]陈佳荣,朱丽慧,倪旺阳,刘一雄.Al含量对TiAlN涂层的组织和抗氧化性能的影响[J].上海金属,2010,03:11-14.[15]LiiDF·TheeffeetsofalumimumconrPositiononthemechamcalproportiesofreaetivitysputteredTiAlNfilms.JMaterSel.1998,33；2137.[16]乔学亮,吴一平,陈建国,孙培祯.Al含量对（Ti，Al）N薄膜表面脆性的影响[J].华中理工大学学报,1995,12:96-98.[17]顾艳红,王成彪,刘家浚.氮化钛铝薄膜的制备及其摩擦学性能的研究[J].中国表面工程,2004,05:33-37.[18]李佳,刘昌斌,戴晓元.Al含量对(Ti,Al)N涂层结构性能的影响[J].材料导报,2003,12:29-31+35.6、指导教师意见：指导教师（签名）：年月日7、院（系）本科毕业论文（设计）工作领导小组意见：院（系）（盖章）年月日说明：开题报告应在教师指导下由学生独立撰写。在第8学期1-2周内完成，交指导教师审阅，并接受学校和院（系）检查。