AlCrN/SiNx纳米多层涂层刀具的超晶格结构与高温特性研究

Nano-multilayer coated high-speed cutting tools attact great attentions due to their superhardness and excellent thermal stability. However, the application study in high speed machining is rarely. The stability of properties and the popular application of the nano-multilayer coated cutting tools depend maily on the deep study for the high speed macnining mechanism.This project selects the AlCrN/SiNx nano-multilayer superhard coatings with various Al/Si contents and modulation parameters prepared by the hybrid physical vapor deposition technique. The microstructure, hardness, toughness, high-temperature annealing, high-temperature oxidation and diffusion, wear behavior of the coatings and machining properties of the coated cutting tools will be studied systematically. The influence of the Al/Cr ratio, Si contents and modulation parameters on the microstructure and high-temperature tribological properties of the coatings, the evolution and surface-interface behavior of the coatings in a high-temperature environment, the high-speed machining behavior of the coated tools, will be investigated. The aim of this project is to obtain the theory of producing high-quality nano-multilayer coatings coated cutting tools for high-speed machining at low cost, and the related synthesis methods and machining techniques. These results will enrich the theory of nano-multilayer coatings and high-speed machining of coated cutting tools. The research will improve the dry and high-speed machining performance of the coatings, which has very promising applications.

纳米多层涂层刀具因具有超高硬度和优异的高温稳定性受到关注，但在高速加工方面的应用基础研究很少，深入研究涂层刀具高速切削机理是实现纳米多层涂层刀具性能稳定化和普及应用的关键。本项目采用复合物理气相沉积方法，设计高温性能优异的宽温域高铝AlCrN/SiNx不同Al/Cr比、Si含量和调制周期的多层超硬膜，对涂层的显微结构、硬度、韧性、高温时效、高温氧化和扩散、摩擦、高速切削性能进行系统的研究，获得Al/Cr比、Si含量和调制参数对纳米多层超硬膜的超晶格结构和宽温域摩擦学性能影响的规律，多层涂层在高温环境过程中的显微结构演化规律和表面界面行为，及影响涂层刀具高速加工性能的行为和机理。本项目的研究目标在于获得高速加工用低成本高性能纳米多层涂层刀具的制备理论、制备方法和加工工艺技术。本项目的研究成果对于丰富纳米多层涂层刀具切削理论有重要学术价值；项目的研究成果将使得刀具涂层的高速切削性能得到提升。

纳米多层涂层刀具因具有超高硬度和优异的高温稳定性受到关注，但在高速加工方面的应用基础研究很少，深入研究涂层刀具高速切削机理是实现纳米多层涂层刀具性能稳定化和普及应用的关键。本项目采用复合物理气相沉积方法，设计出高温性能优异的宽温域不同Al/Cr比、Si含量和调制周期的多层超硬膜，对涂层的显微结构、硬度、韧性、摩擦、高速切削性能进行系统的研究，探讨Al/Cr比、氮气含量和调制参数对纳米多层超硬膜的超晶格结构和力学性能影响的规律以及涂层刀具高速加工性能的行为和机理。结果如下：（1）AlCrN多元涂层结构主要是超晶格结构，涂层相结构包括主要CrN相和(Al,Cr)N相等，AlTiSiN和AlCrSiN含Si涂层结构中还分别出现了非晶相及柱状晶，但AlCrTiSiN涂层中的非晶相和柱状晶的尺寸较小，且超晶格周期也较小。（2）涂层的力学性能方面，四种涂层的硬度大小依次为AlCrSiN> AlCrN>AlCrTiSiN>AlTiSiN。结合强度、表面粗糙度、摩擦系数及磨损率依次为AlCrTiSiN> AlCrSiN>AlTiSiN > AlCrN。AlCrTiSiN涂层分别有最高的结合强度（60 N）和最低的摩擦系数（~0.2）以及最小的磨损率（4.1 x 10-6 μm3/Nm）。（3）切削实验中的各涂层刀具的切削使用寿命大小依次：AlCrN<AlTiSiN<AlCrSiN <AlCrTiSiN，另外，AlCrTiSiN涂层相对于AlCrN涂层的切削使用寿命提高了近35%。（4）切削过程中涂层刀具的主要失效形式有：积屑瘤，热裂，涂层剥落，崩刃等，特别是AlCrN和AlTiSiN涂层，切削刃破损最为严重。在切削前期时，涂层刀具的磨损机理，主要为磨粒磨损；切削中期为粘着磨损，伴随有氧化磨损，扩散磨损；切削失效期为磨粒磨损，粘着磨损，氧化磨损，扩散磨损等共同存在。通过这些研究工作，发表了SCI收录论文11篇，授权国家发明专利1 项，本项目的研究成果对于丰富纳米多层涂层刀具切削理论有重要学术价值；项目的研究成果使得刀具涂层的高速切削性能得到提升。