硬质与超硬涂层：结构、性能、制备与表征

第1章绪论

1.1硬质与超硬涂层的定义

1.2硬质涂层与超硬涂层的种类

1.2.1硬质涂层

1.2.2超硬涂层

1.3涂层材料的特殊性

1.3.1表面效应明显

1.3.2涂层与衬底的界面与黏附性

1.3.3涂层中的内应力

1.3.4涂层的异常结构和非理想化学计量比

1.3.5涂层的择优取向

1.3.6涂层的纳米多层结构和纳米晶复合结构

1.3.7涂层的优异的综合性能

参考文献

第2章硬质与超硬涂层的制备技术

2.1真空蒸镀

2.1.1物质的热蒸发特性和真空蒸镀原理

2.1.2常见的真空蒸发装置

2.1.3真空蒸镀沉积涂层的工艺

2.2溅射沉积

2.2.1基本原理和特点

2.2.2常用溅射沉积涂层设备

2.2.3溅射沉积涂层的工艺

2.2.4溅射沉积涂层的应用

2.3离子镀沉积

2.3.1基本原理和特点

2.3.2常见的离子镀设备和工作原理

2.3.3电弧离子镀的工艺参数

2.3.4电弧离子镀涂层的应用

2.4化学气相沉积

2.4.1基本原理和特点

2.4.2常见的PECVD的装置和工作原理

2.4.3PECVD的工艺

2.4.4PECVD涂层的应用

2.5离子束沉积

2.5.1涂层制备中离子束的应用

2.5.2离子束辅助沉积

2.5.3低能离子束沉积

2.5.4离子簇束沉积

2.6分子束外延沉积

2.6.1分子束外延的基本原理

2.6.2分子束外延生长的装置

2.6.3分子束外延生长的工艺

2.6.4分子束外延涂层的应用

参考文献

第3章硬质涂层

3.1概述

3.2金属氮化物涂层

3.2.1Ti-N系列涂层

3.2.2Cr-N系列涂层

3.2.3金属氮化物的合金化涂层

3.2.4金属氮化物涂层的制备技术及相关工艺

3.2.5影响金属氮化物涂层微结构和性能的因素

3.2.6其他金属氮化物系列涂层

3.3金属碳化物涂层

3.3.1TiC涂层

3.3.2W-C涂层

3.3.3Cr-C涂层

3.4金属硼化物涂层

3.4.1Ti涂层

3.4.2ZrB2涂层

3.5金属氧化物涂层

3.5.1Al203涂层

3.5.2ZrO涂层

3.5.3CrO涂层

3.5.4TiO2涂层

3.6其他硬质涂层、多层结构涂层及梯度涂层

参考文献

第4章超硬涂层

4.1金刚石涂层

4.1.1金刚石的晶体结构

4.1.2CVD金刚石涂层的性能及应用

4.1.3CVD全刚石涂层生长设备及工艺

4.1.4CVD金刚石涂层的形核和生长机理

4.1.5CVD金刚石涂层晶型显露规律

4.1.6大面积金刚石涂层的生长

4.1.7织构(高取向)金刚石涂层的生长

4.1.8金刚石涂层品质评价方法

4.2类全刚石(DLC)涂层

4.2.1类金刚石涂层的相结构

4.2.2类金刚石涂层的性能

4.2.3类金刚石涂层的制备方法和相关工艺

4.2.4类金刚石涂层的生长机理

4.2.5类金刚石涂层的质量评定和结构检测

4.2.6类金刚石涂层的应用领域

4.3立方氮化硼(cBN)涂层

4.3.1氮化硼的异构体

4.3.2立方氮化硼(c-BN)的正四面体结构

4.3.3立方氮化硼涂层的性能和应用前景

4.3.4立方氮化硼涂层的制备技术和相关工艺

4.3.5立方氮化硼涂层的生长机理

4.3.6立方氮化硼涂层的研究现状及面临的问题

4.4氮化碳CN涂层

4.4.1氮化碳CN的晶体结构

4.4.2氮化碳CN涂层的合成技术

4.4.3氮化碳CN涂层性能及应用前景

4.4.4小结

4.5硼碳氮(BCN)涂层

4.5.1硼碳氮(BCN)的结构

4.5.2硼碳氮(BCN)涂层的制备技术及相关工艺

4.5.3硼碳氮(BCN)涂层的性能及表征

4.6纳米多层结构涂层和纳米晶复合涂层

4.6.1纳米多层结构涂层

4.6.2纳米晶复合涂层

4.6.3纳米多层结构涂层和纳米晶复合涂层的界面

4.6.4小结

参考文献

第5章硬质与超硬涂层的增韧技术

5.1概述

5.2韧性相增韧

5.3纳米晶结构增韧

5.4成分或结构梯度增韧

5.5多层结构增韧

5.6碳纳米管增韧

5.7相变增韧

5.8压应力增韧

5.9复合增韧

5.10小结

参考文献

第6章硬质与超硬涂层的表征

6.1涂层厚度的测量方法

6.1.1光学测量法

6.1.2称重法

6.1.3石英晶体振荡仪法

6.1.4轮廓仪(触针)法

6.1.5断面测量法

6.1.6成分法

6.2涂层结构的表征方法

6.2.1扫描电子显微镜

6.2.2透射电子显微镜

6.2.3扫描隧道显微镜

6.2.4原子力显微镜

6.2.5X射线衍射方法

6.2.6低能电子衍射和反射式高能电子衍射

6.2.7红外吸收光谱和拉曼光谱

6.3涂层成分的表征方法

6.3.1电子探针显微分析

6.3.2X射线光电子能谱

6.3.3俄歇电子能谱

6.3.4二次离子质谱

6.3.5卢瑟福背散射技术

6.4涂层结合强度的表征方法

6.4.1划痕法

6.4.2压痕法

6.4.3刮剥法

6.4.4拉伸法

6.4.5抗剪强度检测法

6.4.6激光剥离法

6.4.7弯曲法

6.4.8其他测量方法

6.5涂层硬度表征方法

6.5.1显微硬度测试

6.5.2纳米压痕硬度测试

6.6涂层韧性测量

6.6.1弯曲法

6.6.2弯折法

6.6.3划痕法

6.6.4压痕法

6.6.5拉伸法

6.7涂层耐磨性表征方法

6.7.1磨损实验方法

6.7.2耐磨性的评价

6.8涂层耐腐蚀性能表征方法

6.8.1电化学表征法

6.8.2涂层高温氧化性能测量

参考文献

本书第1章概述了硬质与超硬涂层的定义和特性；第2章简单介绍

了硬质与超硬涂层的常用制备方法和原理；第3章依次介绍了常见的过渡金属氮化物、碳化物、硼化物和一些金属氧化物涂层的结构、性能、制备方法和影响涂层性能的因素；第4章依次介绍了金刚石、类金刚石、立方氮化硼、氮化碳、硼碳氮及纳米多层结构和纳米晶复合涂层的结构、性能、制备工艺；第5章介绍了硬质与超硬涂层常见的增韧技术；第6章介绍了硬质与超硬涂层的厚度、结构、成分及重要性能(如结合强度、硬度、断裂韧性、耐磨性、耐腐蚀性等)的表征方法。本书的目的是把硬质与超硬涂层的发展过程、最新研究结果和应用现状介绍给读者，使大家进一步了解这一方向发展现状及面临的问题。

根据硬质合金涂层刀片的服役环境及失效分析可知，当硬质涂层与硬基体（钨钛钴类硬质合金）结合时，在冲击载荷作用下，由于基体的韧性较差，涂层中产生的裂纹容易向基体内扩展，使刀片产生崩刃破损而失效。当硬质涂层与软基体（钨钴类硬质合金）结合时，在切削力的作用下，由于基体抗塑性变形的能力较差，涂层壳体容易产生破裂，引起涂层失效。

作为切削工具所采用的硬质合金，其代表性材料有：A.WC-Co类（钨钴类）硬质合金；B.WC-TiC(N)-Co类（钨钛钴类）硬质合金；C.在上述两种材料表面涂覆了硬质薄膜的涂层硬质合金。

超硬刀具、模具与模具加工应用实例

出版地

北京

出版时间

2012

中图分类号

TG7

附注

摘要

超硬材料刀具、超硬材料磨具和模具加工技术是先进材料和先进制造技术中的重要领域，在众多产业部门得到广泛应用。本书主要介绍了超硬材料的发展与应用现状以及超硬材料的种类，论述了超硬材料刀具包括金刚石刀具、立方氮化硼刀具、硬质涂层刀具和超硬涂层刀具的种类、性能及用途；对金属结合剂超硬材料磨具、树脂结合剂超硬材料磨具和陶瓷结合剂超硬材料磨具的特点、应用及其制造工艺进行了阐述，还对常用模具材料包括冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢的性能及最新应用技术进行了重点介绍和分析。本书附有大量工程应用实例，具有实用性、实践性强的特点。

唯一标识符 2100433B

超硬材料具有优异的机械性能、物理性能和其他性能，其中有些性能很适合于刀具。

具有很高的硬度

天然金刚石的硬度达10000HV；CBN的硬度达7500HV。与其他硬物质相比，SiC硬度为3000～3500HV，A12O3为2700HV，TiC为2900～3200HV，WC为2000HV，Si3N4为2700～3200HV；作为刀具材料用的硬质合金，其硬度仅为1100～1800HV。

具有很好的导热性

天然金刚石的热导率达2000W/m-1*K-1，CBN的热导率达1300W/m-1/K-1。紫铜的导热性很好，其热导率仅为393W/m-1*K-1；纯铝为226W/m-1*K-1，故金刚石与CBN的热导率分别是紫铜的5倍和3.5倍，是纯铝的8倍和5倍。硬质合金的热导率仅为35～75W/m-1*K-1。

具有很高的杨氏模量

天然金刚石的杨氏模量达1000GPa，CBN的杨氏模量在720GPa。而SiC、Al2O3、WC、TiC的杨氏模量仅分别为390、350、650、330GPa。物质的杨氏模量大就是刚性好。

具有很小的热膨胀

天然金刚石的线膨胀系数为1×10-6/K，CBN的线膨胀系数为(2.1～2.3)×10-6/K。而硬质合金的线膨胀系数为(5～7)×10-6/K。

具有较小的密度

天然金刚石的密度为3.52g/cm3，CBN的密度为3.48g/cm3。与Al2O3、Si3N4的密度接近。

具有较低的断裂韧性

天然金刚石的断裂韧性为3.4MPa/m0.5,CBN与之接近。陶瓷刀具材料的断裂韧性在各种刀具材料中是属于较低者，然尚能达7～9MPa"para" label-module="para">

化学性质

CBN热稳定性好，在大气中达1300～1500℃不分解。对铁族元素呈惰性；在酸中不受渗蚀，在碱中约300℃时即受浸蚀；与过热的水蒸汽也能起作用。金刚石在常温下化学性质稳定；在氧气中约660℃开始石墨化，铁族元素特别是铁元素能催进石墨化；在酸、碱中都不受浸蚀。

电学性质

纯净的不含杂质的金刚石是绝缘体，室温下电阻率在1016Ω"_blank" href="/item/人造金刚石/1534243" data-lemmaid="1534243">人造金刚石中若含有Ni、Co、Fe等触媒杂质，则具有磁性，杂质越多，磁性越强。

光学性质

金刚石具有很高的折射率和强的散光性，还具有优良的透光性能，能透过很宽的波段。某些金刚石在紫外区、可见区直至远红外区的大部波段(O.22～2.5μm)都是透明的。

以上超硬材料所具备的优异或特异的性能和性质，决定了它们有着广阔用途。

与天然金刚石(ND)相比，人造聚晶金刚石(PCD)的硬度、杨氏模量和热导率稍低，断裂韧性、热膨胀率稍高。人造CVD金刚石的各种性能则介于ND与PCD之间，更接近于天然金刚石。例如，天然金刚石的硬度达10000HV，PCD约为8000HV，CVD金刚石可达9000HV。