最新超硬復合氮化物陶瓷涂層刀具開發(fā)可行性報告

1、Useful Documents【五星版】最新超硬復合氮化物陶瓷涂層刀具開發(fā)可行性報告（一）項目的主要內(nèi)容及技術原理簡述 本項目旨在利用脈沖偏壓電弧離子鍍設備， 采用多元復合和多層復合的技術 手段，開發(fā)硬度高耐磨性好和抗氧化的高性能鈦鋁鉻釔氮化物 （Ti,Al,Cr,Y）N 復合 涂層，發(fā)展適合于干切削和高速切削的高性能涂層刀具， 推廣高性能涂層刀具在 機械加工行業(yè)的應用。采用各種氣相沉積技術在高速鋼、 硬質(zhì)合金刀具表面沉積超硬防護涂層， 實 現(xiàn)刀具綜合性能和使役壽命的提高， 一直是近年來材料學科和刀具行業(yè)致力研究 并迅速發(fā)展的一個重要研究方向。 其中電弧離子鍍技術由于操作方便參數(shù)易于控 制離

2、化率高沉積速度快 ,成為主要的防護涂層沉積物理氣相沉積技術。（二）項目的目的和意義在機械工業(yè)當中，采用物理氣相沉積（ PVD）或化學氣相沉積（ CVD ）技 術在高速鋼和硬質(zhì)合金刀具、模具等部件上涂覆 TiN 、TiC、Al2O3 等硬質(zhì)鍍層 , 大大改善了刀具、 模具的耐磨性， 顯著提高了它們的耐用性， 已越來越多地應用 于工程實際中。 工程應用當中迫切需要硬度高、 結合強度好、 耐高溫腐蝕的高性 能硬質(zhì)鍍層。盡快研究開發(fā)高性能的涂層刀具， 在較短的時間內(nèi)， 形成超硬復合 涂層刀具產(chǎn)業(yè)化應用推廣， 對于推進我省先進裝備制造業(yè)的發(fā)脹， 提升我省機械 加工行業(yè)的整體生產(chǎn)技術水平，具有十分重要的意

3、義和巨大的潛在經(jīng)濟價值。本項目的完成將顯著提高高速鋼刀具及硬質(zhì)合金刀具在高速切削、干切削、 硬切削等方面的使用性能及使用壽命， 為超硬復合涂層材料及電弧離子鍍技術在 刀具行業(yè)的進一步推廣應用奠定良好基礎， 同時，將極大地促進機械加工行業(yè)的 技術水平的提升。高性能超硬復合涂層刀具的研究成功，在我市很多大中型機械制造加工Useful DocumentsUseful Documents企業(yè)具有巨大的應用前景，將極大地降低加工成本，提高成品率，減少材料 消耗，減輕勞動強度，并最終提高勞動生產(chǎn)率，提高經(jīng)濟效益，提高機械加 工行業(yè)的整體技術水平，節(jié)約大量外匯資金。本項目將獲得多項發(fā)明技術專利并擁有獨立的知

4、識技術產(chǎn)權， 有利于形成超 硬復合涂層刀具高新技術產(chǎn)業(yè)，提高我省在切削加工高新技術領域的國際競爭 力。以 JL 集團為例，每年可節(jié)約的刀具費用、工時費用、設備折舊、零件報 廢損失費用等就可達到千萬元以上。如果在我市機械加工行業(yè)得以普遍應用， 每年創(chuàng)經(jīng)濟效益將達到上億元。（三）相關技術領域國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢TiN 、TiC 等硬質(zhì)涂層已經(jīng)成功應用于刀具表面改性并得到廣泛應用， 美國、 日本等發(fā)達國家的涂層刀具占刀具總量的 80% 以上。研究開發(fā)具有更優(yōu)越綜合 性能的超硬復合防護涂層引起了機械加工及刀具行業(yè)的普遍重視和濃厚興趣。 國 外已先后報道了相關的研究結果與進展。 這些進展主要集中在二元合

5、金氮化物涂 層的制備工藝和對刀具等的性能改善結果上。 （Ti,Al ）N,（Ti,Zr）N,（Ti,Cr）N 等超 硬復合涂層由于硬度高、摩擦系數(shù)小、抗氧化溫度高等特點而比 TiN 涂層更適 合于刀具超硬表面改性。 研究和發(fā)展多元合金超硬復合涂層以期更進一步改善涂 層刀具的綜合使用性能已成為該領域的研究熱點。國內(nèi)在二元合金亞穩(wěn)陶瓷涂層方面的研究極為有限，主要集中在（ Ti,Al ）N 涂層的研究上， 處于涂層質(zhì)量與制備工藝的起步研究階段。 目前，尚無專業(yè)的超 硬涂層刀具的制造廠家，大量的高質(zhì)量、高性能刀具不得不依賴于進口。（四）項目申請單位、主要合作申請單位及項目主要負責人的基本情況JG省材料

6、表面工程重點實驗室于 20GG 年 GG月經(jīng)省科技廳批準正式掛牌Useful DocumentsUseful Documents成立，主要研究方向為功能薄膜、新型硬質(zhì)復合防護涂層、金屬高溫腐蝕、先進 陶瓷材料。材料表面工程實驗室科研用房面積約 500m 2，擁有大型關鍵儀器總 值已經(jīng)超過 400 萬元.主要儀器設備包括： 場發(fā)射掃描電子顯微鏡 （SEM/EDG ）、 G 射線衍射儀（ GRD ）、 VersaThermHM 熱重分析儀、磁控濺射儀、電弧離子 鍍、真空熱壓儀、微弧氧化設備、非自耗真空電弧爐、 VAF-334 真空退火爐、 LCR 測試儀等。實驗室擁有博士（后） 11 名，參與完成

7、了多項國家自然科學基 金以及“ 863 ”和“ 973 ”重點課題。實驗室目前在研省級課題 7 項，國家重點 實驗室開放課題 4 項，在研科研經(jīng)費超過 200 萬元。實驗室成員 3 年來共發(fā)表 論文 30 余篇（ SCI或 EI收錄），申請國家專利 7項。項目申請人 LMS ，19GG 年和 20GG 年，相繼于中科院金屬研究所獲得碩 士學位和博士學位， 20GG 年從中國科學院金屬研究所金屬腐蝕與防護國家重點 實驗室博士后流動站出站， 出站后在 JG 科技師范學院材料表面工程研究所工作， 于 20GG 年 GG 月破格晉升為教授。一直從事物理氣相沉積防護涂層的工藝、 結構和性能研究， 熟悉表

8、面鍍膜及改性和表面分析等技術手段及原理， 掌握表面 硬質(zhì)涂層發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，具備先進鍍膜設備的設計及高性能涂層的開發(fā)能 力，研制成功具有國內(nèi)先進水平的電弧離子鍍膜設備多套， 開發(fā)了多種高性能防 護涂層。 作為項目組主要成員， 已經(jīng)完成了中國科學院創(chuàng)新基金項目、 863 重大 項目及 863 國防先進材料專項資助項目各一項。目前在研課題有國家自然科學 基金“納米涂層熱生長氧化膜的力學行為研究” （主要負責人之一） 、863 課題子 課題“航空發(fā)動機壓氣機用物理氣相沉積氮化鈦鋁防護涂層” （負責人）、JG 省 自然科學基金“鉻、釔改性氮化鈦鋁硬質(zhì)涂層的沉積和性能研究” （負責人）、金 屬腐蝕與防

9、護國家重點實驗室開放課題“電弧離子鍍雙極脈沖偏壓作用機理研 究”（負責人）。已申請發(fā)明專利 5 項、已獲授權 2 項；以第一作者在國內(nèi)外著Useful DocumentsUseful Documents名刊物上發(fā)表相關學術領域的論文十多余篇，其中 7 篇為 SCI 收錄， 1 篇為 EI 收錄。（五）有關本項目的現(xiàn)有工作基礎和支撐條件 項目組成員近十年來一直從事真空鍍膜方面的研究工作，了解防護涂層 最新的研究進展和發(fā)展趨勢，掌握先進的沉積技術及涂層設計的原理,在涂層成分和結構設計、沉積工藝參數(shù)控制、涂層組織及性能分析等方面取得顯著 的進展，已經(jīng)成功地制備出 （Ti,Al）N 、（Cr,Al）N

10、 、 （Ti,Al ，Y）N 、（Ti,Al,Cr,Y）N 等超硬復合涂層，所獲得的涂層顯微硬度達到25 40Gpa 。其中開發(fā)的Ti0.7 Al 0.3 N 硬質(zhì)防護涂層已經(jīng)通過國防科工委專家鑒定并在在航空發(fā)動機壓 氣機壓片上應用，申請發(fā)明相關專利 2 項。二、項目實施方案（一）項目達到的目標及考核的主要技術經(jīng)濟指標 （含知識產(chǎn)權、 技術標準） 開發(fā)的新型防護涂層硬度達到 28-35Gpa, 涂層刀具壽命比未涂覆的刀具壽 命提高 100%-800%, 比涂覆氮化鈦的涂層刀具提高 50%-300% 。申請 1 項專利，發(fā)表論文 2 篇（ SCI）。（二）項目的主要研究（開發(fā)）內(nèi)容離子鍍膜機系統(tǒng)

11、改造： 設計磁過濾源離子鍍、 中頻磁控濺射復合鍍膜系統(tǒng)， 采用雙極脈沖偏壓和數(shù)控轉架，實現(xiàn)復合涂層的沉積和多層膜的沉積，提高 涂層的質(zhì)量。研究反應氣體流量、脈沖偏壓、靶才成分、電弧電流等沉積參數(shù) （Ti,Al,Cr）N 、（Ti,Al,Cr,Y）N 復合涂層組織、結構、沉積速率等的影響規(guī)律。設計幾種納米復合多層膜，研究膜層組成、調(diào)制周期等對多層膜界面結 構、力學性能和抗腐蝕性能的影響規(guī)律。Useful DocumentsUseful Documents研究涂層的附著強度、硬度、耐磨性、抗氧化性、抗腐蝕性與刀具使用 性能及壽命之間的影響作用規(guī)律；根據(jù)不同的涂層 - 基體體系優(yōu)化沉積工藝，確定高速

12、鋼涂層刀具及硬質(zhì)合金 涂層刀具的最佳涂層成分及最佳沉積工藝。實現(xiàn)復合涂層沉積工藝、涂層結構、 組成、力學性能、抗氧化抗腐蝕性能的最佳匹配。進行涂覆刀具的高速切削、 干切削、硬切削試驗， 分析涂層刀具失效過程與 機理。（三）試驗（開發(fā)）規(guī)模及地點 涂層試樣及涂層刀具的制備、表征等工作在 JG 科技師范學院材料表面工程 重點實驗室進行，切削試驗一部分在本試驗室進行，另一部分委托 JL 集團等企 業(yè)進行現(xiàn)場試驗評估。（四）主要技術關鍵及創(chuàng)新點 復合多層設計及多元設計；通過梯度設計提高涂層和基體之間的結合強 度；兼顧涂層的高硬度和良好的韌性。（五）實施方案（含技術路線、工藝流程及技術關鍵的解決方案）

13、技術路線利用雙極脈沖偏壓電弧離子鍍和非對稱中頻濺射技術， 通過對涂層的復合設 計和多層設計， 在高速鋼、硬質(zhì)合金刀具材料上沉積幾種復合氮化物涂層和多層 膜，采用掃描電子顯微鏡（ SEM ），能譜分析（ EDS），電子探針（ EPMA ），G 射線衍射（ GRD）、 G 射線光電子能譜（ GPS）、俄歇電子能譜（ AES）、熱重分 析（TGA）、高溫腐蝕熱天平、顯微硬度計、劃痕儀、磨損實驗機等技術和設備， 研究了沉積工藝參數(shù)（ N2 分壓、基體脈沖偏壓、靶材成分等）對涂層的熔滴形 成、沉積速率、 成分、相結構等的影響， 不同涂層的力學性能 （硬度、結合強度、Useful DocumentsUse

14、ful Documents抗磨損性)、抗氧化性能、抗腐蝕性能、電化學性能，多層膜的組成及調(diào)制周期 對涂層的結構和性能的影響。開發(fā)出性能優(yōu)異的超硬涂層刀具。工藝流程靶材/ 基體準備鍍膜工藝實驗涂層組織結構分析 涂層性能實驗最佳成分及沉積工藝涂層刀具制備切削試驗涂層失效 過程與機理專利申請 / 結題鑒定成果轉化與應用技術關鍵的解決方案方案根據(jù)不同涂層 / 基體體系設計過渡層，并通過工藝控制實現(xiàn)對過渡層 的優(yōu)化，保證涂層和基體之間具有高的結合強度。實現(xiàn)多元氮化物涂層的成分控制。 合理設計多層膜的組成和調(diào)制周期，使涂層既具有的硬度又具有良好 的韌性。根據(jù)不同的涂層 / 基體體系設計不同的過渡層，提高涂

15、層和基體的理化 匹配性并提高結合強度。(六) 技術風險分析 本課題組在涂層成分設計、 沉積工藝參數(shù)控制、涂層組織及性能分析等方 面，本研究組已取得顯著的進展， 積累了豐富的經(jīng)驗， 已經(jīng)成功地研制出 CrN 、 (Ti,Al)N 、(Ti,Al,Y)N 、Ti(C,N) 等超硬涂層和 MCrAlY 、TiAlCrAg 、 TiAlNb 等 高溫防護涂層，并掌握了沉積過程的實際控制方法，在硬質(zhì)合金基體上獲得 了顯微硬度超過 3000Hv 的超硬涂層。 因此本項目利用電弧離子鍍開發(fā)超硬復 合涂層刀具的技術工藝是成熟的。(七) 分年度的工作內(nèi)容、目標第一年度：Useful DocumentsUsefu

16、l Documents完成沉積工藝對超硬復合涂層組織、結構、成分、附著力、沉積速率 的影響規(guī)律研究； 完成涂層的結構研究和硬度、 耐磨性、 韌性、耐氧化性、 耐腐蝕性等性能的研究。具體進度如下：20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 實驗設計靶材熔煉基體試樣及刀具準備20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 沉積復合涂層和復合多層膜，研究沉積工藝撰寫并發(fā)表論文 1-2 篇。20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月測試涂層的硬度、膜 / 基結合強度、摩擦磨損性能、強度和疲勞性能等 力學性能。分析結果并發(fā)表論文 1-2 篇。20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 測試涂

17、層的高溫抗氧化性、抗腐蝕性能、電化學性能。進行理論研究， 撰寫并發(fā)表論文 1-2 篇。第二年度 ：確定高速鋼涂層刀具及硬質(zhì)合金涂層刀具的最佳涂層成分 及最佳沉積工藝；針對高速鋼及硬質(zhì)合金涂層刀具，分別實現(xiàn)最佳涂層成 分、最佳沉積工藝及最佳性能匹配，開發(fā)出性能優(yōu)越的系列超硬復合涂層 刀具；申報相關專利；完成成果鑒定驗收；實施技術成果轉化與應用。具體進度如下：20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 優(yōu)化沉積工藝、獲得涂覆刀具。20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 進行涂覆刀具切削實驗，研究刀具涂層的失效機理及涂層結構、性能對Useful DocumentsUseful Docum

18、ents刀具使用性能及使用壽命的影響的作用規(guī)律研究。撰寫并發(fā)表論文 1 篇 20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 全面對課題工作進行分析與研究，申報專利 1-2 項。20GG 年 GG 月 -20GG 年 GG 月結題并撰寫書面報告。八）申請單位、合作申請單位及主要人員的分工姓名年齡職務職稱所在單位在課題中的分工LMS35教授JG 科技師范學院負責人朱圣龍40研究員博導中科院金屬腐蝕與防護國家重點實驗室負責人張淑娟28講師JG 科技師范學院涂層及涂層刀具制備劉庭芝32講師JG 科技師范學院結構分析婁謹26講師JG 科技師范學院力學性能分析楊干蘭28講師JG 科技師范學院刀具切削試驗九

19、）組織及管理的運行機制本項目研究開發(fā)采取分工負責制， 落實工作內(nèi)容到人， 責任到人， 明確各主 要研究人員的責任和具體工作內(nèi)容。 在研究過程中， 根據(jù)研究工作進展情況， 定 期（每 3 個月）交換意見，進行研究討論，及時溝通、配合、總結、調(diào)整，能 夠確保該項目如期順利完成。（十）相關依托工程（含技術）的落實情況JG 科技師范學院材料表面工程重點實驗室多數(shù)具備涂層沉積設備、結構分析和力學性能測試設備； JG科技師范學院將對該項目進行 1：1 經(jīng)費配套；中科Useful DocumentsUseful Documents院金屬腐蝕與防護國家重點實驗室將對該項目進行技術支持和分析測試支持。（十一）有

20、關本項目的國內(nèi)外知識產(chǎn)權狀況分析 國內(nèi)超硬復合涂層刀具開發(fā)還處于起步階段。本項目將獲得多項發(fā)明技術 專利并擁有獨立的知識技術產(chǎn)權，有利于形成超硬復合涂層刀具高新技術產(chǎn)業(yè)， 提高我市在切削加工高新技術領域的國際競爭力。三、市場分析本項目所開發(fā)的超硬復合涂層刀具在高速切削、干切削、硬切削等方面具 有廣泛的適用性和優(yōu)越性，特別適用于難加工材料的切削加工及現(xiàn)代化的加 工中心，因此可在我市所有機械制造加工企業(yè)推廣應用。Useful Documents四、經(jīng)費預算及籌措方案經(jīng)費來源預算經(jīng)費支出預算科目預算數(shù)科目預算數(shù)來源預算合計4.00支出預算合計4.001、儀器設備購置0費1、申請課題撥款其中年度撥款2、材料、樣品費1.00第一第二第三3、土建安裝費年年年114、試驗費2.002