[00137927]具有优异抗氧化性及高速切削性能的CrAlN/Si3

在汽车及其零部件制造业和模具制造业中， 高硬度、高耐磨性材料，冷硬铸铁蠕墨铸铁和淬硬钢， 正越来越多地被用来制造凸轮轴、缸盖和缸体等发动机零件以及精密模具等。这些材料硬度高达 HRC 50-70， 加工时切削力大且切削温度高， 导致刀具快速失效，对刀具综合性能要求十分苛刻。涂层刀具因具有良好的综合性能，是高速加工新型铸铁和高硬度淬硬钢的首选刀具材料。物理气相沉积（PVD）涂层工艺，易于控制涂层的组元成份和结构，可制备出硬度高、均匀致密、结合强度高、内应力低和韧性好的刀具涂层。随着高速切削技术和难加工材料的发展，刀具涂层材料已进入到多元、多层和纳米结构的新阶段。 PVD 纳米结构涂层因具有优越的综合性能而成为刀具涂层主要发展方向：其中之一是纳米多层涂层， 但其层厚难以控制而影响涂层性能，同时高温下层间元素相互扩散也会导致性能下降；另外一种是纳米复合涂层，主要有氮化物/金属相系统和氮化物/非晶相系统。氮化物/金属相系统热稳定性差，在高温下易扩散导致硬度下降，不适合作刀具涂层。氮化物/ 非晶相系统（Me-Si-N：nc-MeN/a-Si3N4 （Me = Ti, TiAl 等））表现出一般硬质涂层难以达到的高硬度，是国际上新一代刀具涂层研究的前沿。此外，多层或梯度的涂层设计可提高涂层与基体的结合力、涂层韧性和抗裂纹扩展能力，实现各层所具有的复合功能等。也可以通过涂层的成份和结构设计，使涂层在使役过程中对应于各种外界载荷发生有利于其性能改善方向的改变，从而得到自适应环境的多功能涂层。涂层表面抛光等涂层刀具后处理技术可以减少因刀具表面金属的粘结引起的失效，并增加涂层强度；调整涂层中的残余应力，延长刀具寿命。目前对涂层刀具的研究，主要关注涂层材料结合强度、硬度、韧性、热稳定性和化学稳定性及和摩擦系数等。而涂层刀具的优异切削性能， 不仅取决于刀具涂层与被加工工件材质间的强匹配性，而且与实际使用涂层刀具时的复杂切削加工系统变量高度关联。 　　针对汽车零件用新型铸铁（冷硬铸铁和蠕墨铸铁）及精密模具用淬硬钢的高速切削加工特点，本课题组以 CrAlN/Si3N4纳米复合涂层结构为基础，研究高速硬铣削新型铸铁和淬硬钢材料的系列高性能涂层刀具。首先，提出多层多元纳米复合结构涂层设计理论与方法，设计融合晶内和晶界复合与梯度结构及自适应表面组织的新型多层多元纳米复合涂层，揭示多层多元涂层材料微观结构-涂层宏观性能-涂层刀具切削摩擦学性能的跨尺度关联关系；其次，提出高功率脉冲等离子增强复合磁控溅射涂层制备新工艺，探索微磨料射流抛光涂层刀具表面技术；最后，建立涂层刀具切削性能评价体系，探索高速硬铣削加工工艺、刀具寿命和硬铣削加工质量之间内在相互影响规律。制备的CrAlN/Si3N4纳米多层复合涂层具有优异的抗高温氧化性能及高速切削性能。