刀具涂层技术研究

    3 当前国内薄膜技术研究的主要热点

     近年来纳米超硬膜技术已成为涂层领域研究开发的热点，自2000年以来在国内已进入持续开发阶段。超硬膜定义为硬度大于40GPa，众所周知，金刚石、立方氮化硼、非晶态类金刚石等具有超硬膜的本征硬度，其研究及应用已经历了较长时间，但其膜系本身的某些特性却制约了应用领域的拓展。如金刚石薄膜并不适合于铁基材料的切削加工，而立方氮化硼薄膜由于难于与刀具基体结合、易剥落，且高纯度的c-BN制备困难，也尚未达到商业应用水平。因此近年来薄膜技术的开发热点更多的集中于非本征超硬膜的研究。非本征硬度超硬薄膜的超硬性和力学性能主要来自于它们组成物的性质和超细显微结构，其组成物多为氧化物、碳化物、氮化物及硼化物，而其显微结构达到了纳米数量级。

    按照Koehler外延异质结构理论，当沉积制备两种不同弹性模量金属M（1）和M （2）的多层膜时（EM（1）〈EM（2）〉，单层膜的厚度尺寸达到较小数量级时，可有效地阻碍位错源在层内的增殖；当受外部应力作用时，M（1）中的位错将向M（1）/M（2）界面移动，M（2）中形成的弹性应变会产生一种排斥力，阻碍位错通过界面，因此多层膜的硬度比由混合规则计算得到的硬度高得多。基于Koehler理论，纳米多层膜的研究已逐渐成为涂层界的开发热点，其设计思路是控制多层膜的一维周期结构，有效调整膜中的位错、缺陷及运动，从而获得高硬度、高模量及高温性能优异的薄膜。

    按其组成，纳米多层超硬膜可分为如下几类：

    氮化物/氮化物：TiN/VN，56GPa；TiN/VNbN，41GPa；TiN/NbN，51GPa；TiN/SiN，80～105 GPa

    氮化物/碳化物：TiN/CNX，45～55GPa；ZrN/CNX，40～45GPa

    碳化物/碳化物：TiC/VC，52GPa；TiC/NbC，45～55GPa；WC/TiC，40GPa

    氮化物或碳化物/金属：TiN/Nb，52GPa；TiAlN/Mo，51GPa

    氮化物/氧化物：TiAlN/Al2O3

    硼化物/氮化物或碳化物：TiB/TiN，TiB/TiC，50～70GPa

    金属/金属等