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alcrn涂层的研究现状 0 其他互通性能涂层 随着工业材料和沟槽性能的提高和环境保护要求的提出，传统的工具无法满足切割要求。因此，我们开发了一种带有涂层刀结构的刀结构。也就是说，在刀片表面涂上具有优良性能的金属化合物，从而给刀片带来硬度高、耐摩擦磨损、系数低、传热系数小、化学活性稳定等新特性。它提高了高速、高压、负载和腐蚀介质的可靠性，延长了刀的使用寿命。涂层是有效解决刀具材料中硬度、耐磨与韧性之间矛盾的一个有效措施。 刀具涂层由最初的TiC、TiN发展到以Ti、N等为基本元素,通过加入新的元素形成的多元涂层、多层涂层和纳米技术涂层。特别是Al的加入,开发出的TiAlN涂层,性能几乎得到全面提升,纳米硬度高达37GPa,氧化温度提高到800℃,与钢的摩擦系数也有所降低。这类涂层也是目前国内外工业应用较多的涂层,如CemeCon公司的Supernitride涂层系列和Sandvik公司的GC2015牌号刀具等。此类涂层在工具、模具、机械零部件和材料装饰中得到广泛应用,但是在高温场合并不能完全满足切削条件。为此,有必要开发在高速切削条件下仍能保持高硬度、高耐磨性和抗高温氧化性的新型涂层。 由于Cr具有比Ti更高的熔点,因此开发出的以Cr代替Ti的AlCrN涂层与AlTiN涂层相比,耐高温氧化温度能明显提高、摩擦系数更小、排屑能力更强,虽然硬度稍有降低,但综合性能更为优异。Balzers公司开发的AlCrN单层或AlCrN基纳米多层涂层,与钢材的摩擦系数(干性)为0.35～0.40,残余压应力为3GPa,最高适用温度可达1100℃;底层为AlCrN、表层为TiAlN的涂层硬度与TiAlN涂层相当,适用温度高于1100℃。AlCrN与TiAlN相比韧性更好,更适合于断续切削,已成为热点研究课题之一。目前对刀具涂层的论述侧重沉积方法的文献较多,而描述性能和结构方面的文献较少。本文综述了AlCrN涂层的结构与性能以及国内外近年来的研究现状,并对AlCrN涂层的研究方向进行了展望。 1 高温涂层/耐氧化涂层 面心立方结构的CrN晶胞与TiN晶胞相比能固溶更多的Al,因此AlCrN涂层表现出比TiAlN涂层更加优异的高温性能。据报道,AlCrN涂层在1000℃时硬度仍保持27GPa,这是目前氮化物的最高纪录。Cr是提高抗热腐蚀性能的主要元素,Al能促进稳定的Al2O3薄膜的形成,所以AlCrN涂层兼具良好的防腐蚀性能和抗高温氧化性能。 1.1 al的晶体结构随al含量的变化 AlCrN涂层的晶体结构和性能与Al含量关系密切。CrN的晶体结构为NaCl结构,形成AlCrN时,Al原子以替换部分Cr原子的形式固溶到CrN晶体中,并随着Al含量的增大,晶体结构从面心立方转变为六方结构。通过XRD分析电弧离子镀制备的Cr1-xAlxN(x为原子比,下同)涂层结构显示:当x≤0.6时,为立方结构,Al原子置换面心立方晶体CrN中的Cr原子,使CrN晶格产生畸变,随着x值的增大,晶格常数呈减小的趋势;当x≥0.7时,转变为六方结构,可看成Cr原子置换六方晶体AlN中的Al原子,使AlN晶格产生畸变,a轴方向扩张,c轴方向收缩,随着x值的降低,a轴呈增大而c轴呈减小的趋势,表现出各向异性的特点,晶格常数和晶体结构随Al含量的变化如图1所示,一旦转化为六方结构,其性能就有所下降;当0.6x0.7时存在一个由面心立方转变为六方的转折点,其间为两种结构的混合物。 用不同方法沉积AlCrN涂层时,晶体结构转变的临界Al含量是不同的。有报道指出,用阴极电弧在钢基体上沉积AlCrN涂层时,由面心立方结构向六方结构转变的临界Al含量可达到71%,在石英玻璃上用磁控溅射沉积时可以高达75%。虽然临界Al含量随制备方法的不同而不同,但均高于TiAlN的临界Al含量(65.3%),其中用磁控溅射方法制备的AlCrN涂层临界Al含量与理论值77%最为接近。 对于TiAlN,随Al含量增加,晶格常数减小的问题,目前较为合理的解释是:在TiN中存在Ti原子的3d电子向N原子的转移,Al原子替代Ti原子后减弱了这种效果,使N原子的有效半径减小,从而使单位晶胞减小。笔者认为Cr、Ti束缚电子的能力相近,晶格变小也可用这种说法解释;对于晶体结构随Al含量的变化而改变有不同的解释,但目前比较合理的解释是:Cr的配位数是6,Al的配位数是4,当Al含量超过在CrN中的最大固溶度时,致使晶格畸变,涂层结构由面心立方转变为六方。 1.2 fcc-alcrn涂层的氧扩散行为 AlCrN涂层的实际使用温度可高达1100℃,导致其热稳定性好的主要原因是:(1)Al与N以共价键结合,提高了涂层的热稳定性;(2)Al、Cr细化了晶粒,使涂层更加致密;(3)CrN中可以固溶更多的Al,随着Al含量的增加