硬質(zhì)與超硬涂層：結(jié)構(gòu)、性能、制備與表征

第1章緒論

1.1硬質(zhì)與超硬涂層的定義

1.2硬質(zhì)涂層與超硬涂層的種類(lèi)

1.2.1硬質(zhì)涂層

1.2.2超硬涂層

1.3涂層材料的特殊性

1.3.1表面效應(yīng)明顯

1.3.2涂層與襯底的界面與黏附性

1.3.3涂層中的內(nèi)應(yīng)力

1.3.4涂層的異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比

1.3.5涂層的擇優(yōu)取向

1.3.6涂層的納米多層結(jié)構(gòu)和納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)

1.3.7涂層的優(yōu)異的綜合性能

參考文獻(xiàn)

第2章硬質(zhì)與超硬涂層的制備技術(shù)

2.1真空蒸鍍

2.1.1物質(zhì)的熱蒸發(fā)特性和真空蒸鍍?cè)?

2.1.2常見(jiàn)的真空蒸發(fā)裝置

2.1.3真空蒸鍍沉積涂層的工藝

2.2濺射沉積

2.2.1基本原理和特點(diǎn)

2.2.2常用濺射沉積涂層設(shè)備

2.2.3濺射沉積涂層的工藝

2.2.4濺射沉積涂層的應(yīng)用

2.3離子鍍沉積

2.3.1基本原理和特點(diǎn)

2.3.2常見(jiàn)的離子鍍?cè)O(shè)備和工作原理

2.3.3電弧離子鍍的工藝參數(shù)

2.3.4電弧離子鍍涂層的應(yīng)用

2.4化學(xué)氣相沉積

2.4.1基本原理和特點(diǎn)

2.4.2常見(jiàn)的PECVD的裝置和工作原理

2.4.3PECVD的工藝

2.4.4PECVD涂層的應(yīng)用

2.5離子束沉積

2.5.1涂層制備中離子束的應(yīng)用

2.5.2離子束輔助沉積

2.5.3低能離子束沉積

2.5.4離子簇束沉積

2.6分子束外延沉積

2.6.1分子束外延的基本原理

2.6.2分子束外延生長(zhǎng)的裝置

2.6.3分子束外延生長(zhǎng)的工藝

2.6.4分子束外延涂層的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

第3章硬質(zhì)涂層

3.1概述

3.2金屬氮化物涂層

3.2.1Ti-N系列涂層

3.2.2Cr-N系列涂層

3.2.3金屬氮化物的合金化涂層

3.2.4金屬氮化物涂層的制備技術(shù)及相關(guān)工藝

3.2.5影響金屬氮化物涂層微結(jié)構(gòu)和性能的因素

3.2.6其他金屬氮化物系列涂層

3.3金屬碳化物涂層

3.3.1TiC涂層

3.3.2W-C涂層

3.3.3Cr-C涂層

3.4金屬硼化物涂層

3.4.1Ti涂層

3.4.2ZrB2涂層

3.5金屬氧化物涂層

3.5.1Al203涂層

3.5.2ZrO涂層

3.5.3CrO涂層

3.5.4TiO2涂層

3.6其他硬質(zhì)涂層、多層結(jié)構(gòu)涂層及梯度涂層

參考文獻(xiàn)

第4章超硬涂層

4.1金剛石涂層

4.1.1金剛石的晶體結(jié)構(gòu)

4.1.2CVD金剛石涂層的性能及應(yīng)用

4.1.3CVD全剛石涂層生長(zhǎng)設(shè)備及工藝

4.1.4CVD金剛石涂層的形核和生長(zhǎng)機(jī)理

4.1.5CVD金剛石涂層晶型顯露規(guī)律

4.1.6大面積金剛石涂層的生長(zhǎng)

4.1.7織構(gòu)(高取向)金剛石涂層的生長(zhǎng)

4.1.8金剛石涂層品質(zhì)評(píng)價(jià)方法

4.2類(lèi)全剛石(DLC)涂層

4.2.1類(lèi)金剛石涂層的相結(jié)構(gòu)

4.2.2類(lèi)金剛石涂層的性能

4.2.3類(lèi)金剛石涂層的制備方法和相關(guān)工藝

4.2.4類(lèi)金剛石涂層的生長(zhǎng)機(jī)理

4.2.5類(lèi)金剛石涂層的質(zhì)量評(píng)定和結(jié)構(gòu)檢測(cè)

4.2.6類(lèi)金剛石涂層的應(yīng)用領(lǐng)域

4.3立方氮化硼(cBN)涂層

4.3.1氮化硼的異構(gòu)體

4.3.2立方氮化硼(c-BN)的正四面體結(jié)構(gòu)

4.3.3立方氮化硼涂層的性能和應(yīng)用前景

4.3.4立方氮化硼涂層的制備技術(shù)和相關(guān)工藝

4.3.5立方氮化硼涂層的生長(zhǎng)機(jī)理

4.3.6立方氮化硼涂層的研究現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題

4.4氮化碳CN涂層

4.4.1氮化碳CN的晶體結(jié)構(gòu)

4.4.2氮化碳CN涂層的合成技術(shù)

4.4.3氮化碳CN涂層性能及應(yīng)用前景

4.4.4小結(jié)

4.5硼碳氮(BCN)涂層

4.5.1硼碳氮(BCN)的結(jié)構(gòu)

4.5.2硼碳氮(BCN)涂層的制備技術(shù)及相關(guān)工藝

4.5.3硼碳氮(BCN)涂層的性能及表征

4.6納米多層結(jié)構(gòu)涂層和納米晶復(fù)合涂層

4.6.1納米多層結(jié)構(gòu)涂層

4.6.2納米晶復(fù)合涂層

4.6.3納米多層結(jié)構(gòu)涂層和納米晶復(fù)合涂層的界面

4.6.4小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章硬質(zhì)與超硬涂層的增韌技術(shù)

5.1概述

5.2韌性相增韌

5.3納米晶結(jié)構(gòu)增韌

5.4成分或結(jié)構(gòu)梯度增韌

5.5多層結(jié)構(gòu)增韌

5.6碳納米管增韌

5.7相變?cè)鲰g

5.8壓應(yīng)力增韌

5.9復(fù)合增韌

5.10小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章硬質(zhì)與超硬涂層的表征

6.1涂層厚度的測(cè)量方法

6.1.1光學(xué)測(cè)量法

6.1.2稱(chēng)重法

6.1.3石英晶體振蕩儀法

6.1.4輪廓儀(觸針)法

6.1.5斷面測(cè)量法

6.1.6成分法

6.2涂層結(jié)構(gòu)的表征方法

6.2.1掃描電子顯微鏡

6.2.2透射電子顯微鏡

6.2.3掃描隧道顯微鏡

6.2.4原子力顯微鏡

6.2.5X射線(xiàn)衍射方法

6.2.6低能電子衍射和反射式高能電子衍射

6.2.7紅外吸收光譜和拉曼光譜

6.3涂層成分的表征方法

6.3.1電子探針顯微分析

6.3.2X射線(xiàn)光電子能譜

6.3.3俄歇電子能譜

6.3.4二次離子質(zhì)譜

6.3.5盧瑟福背散射技術(shù)

6.4涂層結(jié)合強(qiáng)度的表征方法

6.4.1劃痕法

6.4.2壓痕法

6.4.3刮剝法

6.4.4拉伸法

6.4.5抗剪強(qiáng)度檢測(cè)法

6.4.6激光剝離法

6.4.7彎曲法

6.4.8其他測(cè)量方法

6.5涂層硬度表征方法

6.5.1顯微硬度測(cè)試

6.5.2納米壓痕硬度測(cè)試

6.6涂層韌性測(cè)量

6.6.1彎曲法

6.6.2彎折法

6.6.3劃痕法

6.6.4壓痕法

6.6.5拉伸法

6.7涂層耐磨性表征方法

6.7.1磨損實(shí)驗(yàn)方法

6.7.2耐磨性的評(píng)價(jià)

6.8涂層耐腐蝕性能表征方法

6.8.1電化學(xué)表征法

6.8.2涂層高溫氧化性能測(cè)量

參考文獻(xiàn)

本書(shū)第1章概述了硬質(zhì)與超硬涂層的定義和特性；第2章簡(jiǎn)單介紹

了硬質(zhì)與超硬涂層的常用制備方法和原理；第3章依次介紹了常見(jiàn)的過(guò)渡金屬氮化物、碳化物、硼化物和一些金屬氧化物涂層的結(jié)構(gòu)、性能、制備方法和影響涂層性能的因素；第4章依次介紹了金剛石、類(lèi)金剛石、立方氮化硼、氮化碳、硼碳氮及納米多層結(jié)構(gòu)和納米晶復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝；第5章介紹了硬質(zhì)與超硬涂層常見(jiàn)的增韌技術(shù)；第6章介紹了硬質(zhì)與超硬涂層的厚度、結(jié)構(gòu)、成分及重要性能(如結(jié)合強(qiáng)度、硬度、斷裂韌性、耐磨性、耐腐蝕性等)的表征方法。本書(shū)的目的是把硬質(zhì)與超硬涂層的發(fā)展過(guò)程、最新研究結(jié)果和應(yīng)用現(xiàn)狀介紹給讀者，使大家進(jìn)一步了解這一方向發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題。

根據(jù)硬質(zhì)合金涂層刀片的服役環(huán)境及失效分析可知，當(dāng)硬質(zhì)涂層與硬基體（鎢鈦鈷類(lèi)硬質(zhì)合金）結(jié)合時(shí)，在沖擊載荷作用下，由于基體的韌性較差，涂層中產(chǎn)生的裂紋容易向基體內(nèi)擴(kuò)展，使刀片產(chǎn)生崩刃破損而失效。當(dāng)硬質(zhì)涂層與軟基體（鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金）結(jié)合時(shí)，在切削力的作用下，由于基體抗塑性變形的能力較差，涂層殼體容易產(chǎn)生破裂，引起涂層失效。

作為切削工具所采用的硬質(zhì)合金，其代表性材料有：A.WC-Co類(lèi)（鎢鈷類(lèi)）硬質(zhì)合金；B.WC-TiC(N)-Co類(lèi)（鎢鈦鈷類(lèi)）硬質(zhì)合金；C.在上述兩種材料表面涂覆了硬質(zhì)薄膜的涂層硬質(zhì)合金。

超硬刀具、模具與模具加工應(yīng)用實(shí)例

出版地

北京

出版時(shí)間

2012

中圖分類(lèi)號(hào)

TG7

附注

摘要

超硬材料刀具、超硬材料磨具和模具加工技術(shù)是先進(jìn)材料和先進(jìn)制造技術(shù)中的重要領(lǐng)域，在眾多產(chǎn)業(yè)部門(mén)得到廣泛應(yīng)用。本書(shū)主要介紹了超硬材料的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀以及超硬材料的種類(lèi)，論述了超硬材料刀具包括金剛石刀具、立方氮化硼刀具、硬質(zhì)涂層刀具和超硬涂層刀具的種類(lèi)、性能及用途；對(duì)金屬結(jié)合劑超硬材料磨具、樹(shù)脂結(jié)合劑超硬材料磨具和陶瓷結(jié)合劑超硬材料磨具的特點(diǎn)、應(yīng)用及其制造工藝進(jìn)行了闡述，還對(duì)常用模具材料包括冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼的性能及最新應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹和分析。本書(shū)附有大量工程應(yīng)用實(shí)例，具有實(shí)用性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。

唯一標(biāo)識(shí)符 2100433B

超硬材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能、物理性能和其他性能，其中有些性能很適合于刀具。

具有很高的硬度

天然金剛石的硬度達(dá)10000HV；CBN的硬度達(dá)7500HV。與其他硬物質(zhì)相比，SiC硬度為3000～3500HV，A12O3為2700HV，TiC為2900～3200HV，WC為2000HV，Si3N4為2700～3200HV；作為刀具材料用的硬質(zhì)合金，其硬度僅為1100～1800HV。

具有很好的導(dǎo)熱性

天然金剛石的熱導(dǎo)率達(dá)2000W/m-1*K-1，CBN的熱導(dǎo)率達(dá)1300W/m-1/K-1。紫銅的導(dǎo)熱性很好，其熱導(dǎo)率僅為393W/m-1*K-1；純鋁為226W/m-1*K-1，故金剛石與CBN的熱導(dǎo)率分別是紫銅的5倍和3.5倍，是純鋁的8倍和5倍。硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)率僅為35～75W/m-1*K-1。

具有很高的楊氏模量

天然金剛石的楊氏模量達(dá)1000GPa，CBN的楊氏模量在720GPa。而SiC、Al2O3、WC、TiC的楊氏模量?jī)H分別為390、350、650、330GPa。物質(zhì)的楊氏模量大就是剛性好。

具有很小的熱膨脹

天然金剛石的線(xiàn)膨脹系數(shù)為1×10-6/K，CBN的線(xiàn)膨脹系數(shù)為(2.1～2.3)×10-6/K。而硬質(zhì)合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)為(5～7)×10-6/K。

具有較小的密度

天然金剛石的密度為3.52g/cm3，CBN的密度為3.48g/cm3。與Al2O3、Si3N4的密度接近。

具有較低的斷裂韌性

天然金剛石的斷裂韌性為3.4MPa/m0.5,CBN與之接近。陶瓷刀具材料的斷裂韌性在各種刀具材料中是屬于較低者，然尚能達(dá)7～9MPa"para" label-module="para">

化學(xué)性質(zhì)

CBN熱穩(wěn)定性好，在大氣中達(dá)1300～1500℃不分解。對(duì)鐵族元素呈惰性；在酸中不受滲蝕，在堿中約300℃時(shí)即受浸蝕；與過(guò)熱的水蒸汽也能起作用。金剛石在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；在氧氣中約660℃開(kāi)始石墨化，鐵族元素特別是鐵元素能催進(jìn)石墨化；在酸、堿中都不受浸蝕。

電學(xué)性質(zhì)

純凈的不含雜質(zhì)的金剛石是絕緣體，室溫下電阻率在1016Ω"_blank" href="/item/人造金剛石/1534243" data-lemmaid="1534243">人造金剛石中若含有Ni、Co、Fe等觸媒雜質(zhì)，則具有磁性，雜質(zhì)越多，磁性越強(qiáng)。

光學(xué)性質(zhì)

金剛石具有很高的折射率和強(qiáng)的散光性，還具有優(yōu)良的透光性能，能透過(guò)很寬的波段。某些金剛石在紫外區(qū)、可見(jiàn)區(qū)直至遠(yuǎn)紅外區(qū)的大部波段(O.22～2.5μm)都是透明的。

以上超硬材料所具備的優(yōu)異或特異的性能和性質(zhì)，決定了它們有著廣闊用途。

與天然金剛石(ND)相比，人造聚晶金剛石(PCD)的硬度、楊氏模量和熱導(dǎo)率稍低，斷裂韌性、熱膨脹率稍高。人造CVD金剛石的各種性能則介于ND與PCD之間，更接近于天然金剛石。例如，天然金剛石的硬度達(dá)10000HV，PCD約為8000HV，CVD金剛石可達(dá)9000HV。