基本信息
- 项目名称：
- 刀具用超硬涂层技术研发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 此作品主要研究先进的(Ti1-xAlx)N刀具用超硬涂层的制备及致硬机理。文章首先阐述了研究背景，之后通过实验及分析测试制备、表征了超硬(Ti1-xAlx)N薄膜，最后通过第一性原理分析了薄膜致硬机理。
- 详细介绍：
- 制造业是国民经济的支柱，具备高精尖水平的制造业是一个国家矗立于世界之林不可或缺的条件。众所周知，切削工具技术对制造水平的提高有着至关重要的作用。工程上应用的刀具经常是根据强度上的要求来选用的，但其表面性能，例如耐磨损性、抗腐蚀性和导电性，不一定能满足要求。涂层的用途是获得要求的表面性能。经涂敷的刀具，其耐磨性、硬度、抗热稳定性等使用性能都有大幅度提高，并可极大延长其寿命，大大降低生产成本，提高生产效率。 上世纪70年代，TiN薄膜作为一种刀具涂层的成功运用很大程度提高了刀具的使用寿命，更提高了切削速度。这为薄膜技术在刀具上的运用开创了先河。近年来高速切割以及干式切割由于其机械加工效率高，环境污染少等显著优势，这日益成为切削技术发展的主流，也对刀具涂层提出了更加苛刻的要求。高硬度、耐磨、化学稳定、抗高温氧化、低摩擦系数、良好的疏水性都成为了刀具涂层追求的目标。硬度只有21GPa且抗氧化温度只有550℃的 TiN薄膜已经不能够完全满足当今加工业的需求。因此，发展多元化超硬涂层是今后发展的总趋势之一。 20世纪80年代末，Ti1-xAlxN薄膜得到大力发展，它是刀具及模具用涂层 TiN的一种理想替代品。到目前为止，多种技术如直流/射频磁控溅射、多弧离子镀、等离子体增强化学气相沉积及离子束辅助沉积已经被用来合成制备Ti1-xAlxN薄膜。因为Ti1-xAlxN薄膜硬度高、耐高温氧化及耐磨性好，它得到了广泛的研究与学习。在最近几年，Ti1-xAlxN薄膜已近成为刀具涂层的一种最好的选择，特别是在干切与高速切割方面。 众所周知，薄膜的结构直接影响着其性能。Ti1-xAlxN薄膜中的铝含量对薄膜的性能起到很重要的作用。研究Ti1-xAlxN薄膜的结构转变及其对性能的影响依然很重要。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 此作品主要研究先进的(Ti1-xAlx)N刀具用超硬涂层的制备及致硬机理。文章首先阐述了研究背景，之后通过实验及分析测试制备、表征了超硬(Ti1-xAlx)N薄膜，最后通过第一性原理分析了薄膜致硬机理。
科学性、先进性及独特之处
- 1、用Ti/Al比为1.56靶材制备了硬度为45GPa的超硬(Ti1-xAlx)N薄膜； 2、提出(Ti1-xAlx)N薄膜超硬的主要机理是微结构强化所致这个观点； 3、采用模拟与实践相结合的方法分析(Ti1-xAlx)N薄膜结构。
应用价值和现实意义
- 欧洲几乎80％以上的刀具都是带有涂层的；中国现在是世界上最大的机械加工制造国，然而目前正大量低价出口“白刀”，又大量高价进口涂层刀具。随着机械加工业对产品精度和生产效率要求的提高，停机换刀时间与换刀后精度控制已成重要问题，迫切需要高硬度、耐高温、抗氧化的长寿命刀具。工业上应用多元化超硬涂层是今后发展总趋势之一，我国迫切需要加强此方面理论与技术的研究。
学术论文摘要
- 采用直流磁控溅射技术在Si（100）基片上制备了一系列(i1-xAlx)N薄膜。使用EPMA、XRD、TEM、HRTEM、纳米压痕等设备表征薄膜的成分、结构及力学性能。实验制备了晶态超硬(i1-xAlx)N薄膜。在(Ti1-xAlx)N薄膜中，晶体结构从B1-NaCl结构向B4-würtzite结构转变的临界铝含量是0.60。铝含量为0.39时，薄膜硬度为45GPa,达到超硬涂层水平。利用模拟XRD方法分析了薄膜的相结构，第一性原理计算研究了(Ti1-xAlx）N薄膜的力学性能。
获奖情况
- 2011年04月07-10日，本人在深圳参加了由中国金属协会(CSM)主办的“国际材料科学与工程表面与界面会议”，并在会议上发表英文口头报告。 2011年04月11日，向Rare Metals(SCI)提交英文论文，文章正在审核中。
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]J. Musil, Thin Solid Films 365 (2000) 104-109. [2]T. Suzuki, Y. Makino, Journal of Materials Science, 35 (2000) 4193-4199. [3]R.F.Zhang, Materials Science and Engineering A 448 (2007) 111–119.
同类课题研究水平概述
- 略
