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“固体薄膜材料学”硕士课程报告 课题的意义 所谓“超硬”材料,系指显微硬度Hv≥40 GPa的材料。随着现代制造业的进步,难加工材料越来越多,金属切削工艺的发展,特别是高速切削、干切削和微润滑切削工艺的出现,对金属切削刀具提出了越来越严酷的技术要求。涂层刀具的出现,被认为是金属切削刀具技术发展史上的一次革命。将超硬薄膜材料镀于金属切削刀具表面,正适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求,金属切削刀具基体保持了其较高的强度,镀于表面的涂层又能发挥它“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优势,从而大大提高了金属切削刀具在现代加工过程中的耐用度和适应性。此外,许多在磨擦环境中使用的部件,例如纺机上的钢领圈,内燃机中的活塞环,各种模具等,硬质薄膜材料也能大大提高其使用寿命。因此硬质薄膜材料可以广泛应用于机械制造,汽车工业,纺织工业,地质钻探,模具工业,航空航天等领域。实际的工业应用,硬度只是诸多技术要求中的一个,此外还有高温硬度和韧性,抗氧化性,化学稳定性,硬质材料对工件的磨擦系数和磨损率,涂层的附着强度,导热系数等都有一定的要求。对于不同的使用场合,薄膜的技术要求各有侧重。 TiN是第一个产业化并广泛应用的硬质薄膜材料,随后又开发出TiC和TiCN,其显微硬度也从TiN的20 GPa提高到大约28 GPa。TiC具有较高的抗机械摩擦和抗磨料磨损性能,它的膨胀系数和硬质合金相近,因而与基体结合牢固,适于作硬质合金刀片多涂层的底膜。TiCN有较强的韧性和抗破损能力。国外一些著名刀具生产厂商,将上述三种材料组合起来,设计出TiC-TiCN-TiN多层复合膜,此外,还有TiC-TiCN-Al2O3-TiN,TiAlN-MoS2,TiAlN-WC/C等。这些复合膜,发挥几种材料各自的优点,大大提高了涂层硬质合金刀片的耐用度,成为多层膜系中较完美的设计。 TiAlN是另一个应用十分广泛的Ti系硬质复合膜,它也具有28 GPa的显微硬度。由于Al元素的加入,镀有该薄膜的刀具在使用过程中,受高温的作用,薄膜表面生成一层较薄的化学性能非常稳定的Al2O3,保护了涂层不被继续氧化,因此TiAlN薄膜的工作温度可以达到800℃。而一般TiN的工作温度到500℃之后,就逐渐被氧化,从而影响涂层的使用寿命。所以TiAlN涂层的刀具可用于高速切削,干切削,以及一些难加工材料。 2、国内外研究现状及分析 硬质薄膜的制膜方法主要分物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类,近年来,它们分别都有长足进步。PVD技术中,电弧离子镀和磁控溅射离子镀是工业生产的主流镀膜技术。电弧离子镀以其离化率高,薄膜生长速度快,涂层附着强度好等一系列优点,占了涂层市场的很大份额。九十年代中期我国从国外引进的七台大型镀膜机均为电弧离子镀,对我国的镀膜工业进步起到很大推动作用。最近磁控溅射离子镀,由于非平衡磁场,多靶磁场耦合,孪生磁控靶[,脉冲溅射,中频交流溅射电源等新技术的出现,使磁控溅射技术在制备多元素复合膜,超晶格薄膜和纳米晶超硬薄膜方面,超过了电弧离子镀方法。先进的磁控溅射技术为沉积超硬薄膜提供了技术保证,完善的镀膜设备功能是保证超硬薄膜材料质量的基础。超硬薄膜材料是材料科学与工程中十分活沃的领域。 氮化铬(CrN)是常见的硬质薄膜材料。虽然它的显微硬度不算很高(约18 GPa),但是它有很强的耐磨损性能,而它的抗氧化和附着能力也不错,常将它用作制备超硬复合膜,应用于加工钛合金等难加工材料。氮化铪(HfN)的膨胀系数与硬质合金相近,作为硬质合金刀片的涂层,它有很高的结合强度;HfN的热稳定性和化学稳定性高于其它硬质薄膜材料,高温硬度高(30 GPa),适用于高速切削刀具,耐磨性比TiN高2倍,甚至超过Al2O3。氮化钼(Mo2N)涂层刀具加工所有材料都有摩擦力大大减小,降低切削温度,减少磨损,适合加工Ti合金,Ni合金,耐热合金等。采用高频PCVD方法制备的非晶态α-B4C显微硬度可以超过50 GPa。采用磁控溅射方法沉积的TiB2显微硬度高达70 GPa。三元化合物BC4N,B12C2.88Si0.35和Si3N2.2C2.16采用PVD方法制备,它们的显微硬度都能达到63～65GPa。过渡金属的氮化物、碳化物和硼化物都是很好的超硬薄膜材料,在该领域内还有许多薄膜材料有待进一步开发。 金刚石和立方氮化硼(c-BN)是两种具有优异性能的硬质薄膜材料。众所周知,金刚石是世界上最硬的固体物质,它和石墨,富勒烯(C60)和碳纳米管都是碳的同素异性体。低压化学气相沉积金刚石薄膜在过去二十多年里一直受到世界各国的广泛重视,成为材料科学领域的研究热点,至今不衰。我国吉林大学,北京科技大学和上海交通大学在金刚石薄膜研究方面取得了可喜的成果,在实际应用和成果产业化方面迈上新台阶。复旦大学王季陶