机械表面涂层的性能与制备研究

联系人：王世伟，工程师，河南．安阳（４５５００４），安钢集团冷轧有限责任公司综合办公室；　收稿日期：２０１９󰀡２󰀡１６金刚石涂层刀具的制备及其切削性能研究

王世伟　罗年高　陈战锋　李恒

（安阳钢铁公司冷轧有限责任公司）

摘要　利用热丝化学气相沉积法（ＨＦＣＶＤ）在硬质合金立铣刀上沉积金刚石薄膜，通过扫描电子显微镜和拉曼光

谱仪对制备的薄膜进行表征，并利用制备的涂层铣刀和未涂层的硬质合金铣刀进行切削实验以对比两种刀具的切

削性能。结果表明：涂层刀具上的金刚石薄膜连续均匀，结构致密，无明显缺陷；切削实验中，涂层刀具的耐磨性好

于硬质合金刀具，使用寿命有了明显地提高。

关键词　热丝化学气相沉积法　硬质合金铣刀　金刚石薄膜　切削实验

ＳＴＵＤＹＯＮＰＲＥＰＡＲＡＴＩＯＮＡＮＤＣＵＴＴＩＮＧＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥＯＦＤＩＡＭＯＮＤＣＯＡＴＥＤＴＯＯＬ

ＷａｎｇＳｈｉｗｅｉ　ＬｕｏＮｉａｎｇａｏ　ＣｈｅｎＺｈａｎｆｅｎｇ　ＬｉＨｅｎｇ

（ＣｏｌｄＲｏｌｌｉｎｇＬｉｍｉｔｅｄＬｉａｂｉｌｉｔｙＣｏｍｐａｎｙｏｆＡｎｙａｎｇＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｔｈｅｄｉａｍｏｎｄｆｉｌｍｉｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎｃａｒｂｉｄｅｄｒｉｌｌｂｙｈｏｔｆｉｌａｍｅｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＨＦＣＶＤ），ＳＥＭ

ａｎｄＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒａｒｅｕｓｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｐｒｅｐａｒｅｄｆｉｌｍ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｅｐａｒｅｄ

ｃｏａｔｅｄｍｉｌｌｉｎｇｃｕｔｔｅｒａｎｄｔｈｅｕｎｃｏａｔｅｄｃｅｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｍｉｌｌｉｎｇｃｕｔｔｅｒｔｏｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｗｏｃｕｔ

ｔｅｒｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｉａｍｏｎｄｆｉｌｍｏｎｔｈｅｃｏａｔｅｄｔｏｏｌｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｎｄｕｎｉｆｏｒｍ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｃｏｍｐａｃｔ

要　６期　ＮＡ州Ｌ。Ｆ．ＴＧ－ｕ。Ｚ程ＨＯｕ应ＵＮ。　Ｒ　Ｉ技ＴＹ。　Ｎ　ＥＥ院ＲＩＮＧ学ＳＣ。Ｅ报ＮＣＥ　

（总第１７９期）　ＮＯ．６，２０１５　Ｖ０１．３３　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｎｏ．１７９　

碳纤维表面涂层制备研究进展　

张萍，邓为难　

（贵州工程应用技术学院化学工程学院，贵州　毕节５５１７００）　

摘要：高性能碳纤维是制造先进复合材料的重要增强相，碳纤维表面涂层的制备不仅能够提高碳纤维　抗氧化性，也是提高碳纤维与基体润湿性，改善复合材料界面结构性能的主要方法。近年用于金属基复合　材料的碳纤维表面涂层材料种类较多，涂层制备工艺各有其优缺点。　关键词：碳纤维；涂层；制备方法　中图分类号：０６４７　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９６—０２３９（２０１５）０６一叭５２—０５　

高性能碳纤维是制造先进复合材料的重要增强材料，其具有轴向强度、模量高，密度低，无蠕变，　

耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，良好的导电导热性能，电磁屏蔽性好等特点。碳纤维增强金　属基复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面　

积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。碳纤维复合材料　

的制备过程中，降低纤维表面张力，提高纤维与基体之间的润湿性，改善碳纤维增强体与基体之间的界　

面结构和性能是研究的重点和难点，研究表明，碳纤维表面涂覆能与基体润湿的涂层材料是改善复合　

材料界面结构和性能的一种行之有效的方法。　

一、涂层材料　

文献调研发现，近年碳纤维表面涂层研究种类很多，主要有金属涂层”卅如Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｇ；陶　

瓷涂层如氧化物涂层【７。。￣（ＳｉＯ：、Ｆｅ，Ｏ　、ＡＩ　Ｏ，、ＴｉＯ　）、氮化物涂层［Ｉ１－１４１（ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＺｒＣ、Ｂ　Ｃ）、氮化物涂层　

［１５－１￣’Ｉ（ＢＮ、ＴｉＮ）和复合涂层　Ｊ（Ｔｉ—Ｚｒ复合涂层、碳化硅，热解碳（ＳｉＣ／ＰｙＣ）复合涂层、ＺｒＯ　一ＳｉＯ：复合涂层、　Ｎｉ—ｃｏ—Ｂ合金涂层、Ｎｉ—Ｆｅ—Ｒｕ—Ｐ合金镀层、ＳｉＢＮＣ涂层等１。碳纤维表面涂层改善基体与碳纤维增　

设　计　与　研　究５７

法拉第在1853年做气体放电实验时，首次发现有金属沉积在放电管玻璃内壁上的现象[1]。磁控溅射采用在靶面上加跑道磁场来控制电子的运动，延长其在靶面周围的行程，以提高等离子体的密度，是物理气相沉积（PVD）的一种。因此，溅射镀膜的速率得到了极大提升[2]。近年来，磁控溅射技术发展很快，具有代表性的方法有平衡磁控溅射、非平衡磁控溅射、反应磁控溅射和脉冲磁控溅射等[3-6]。TiN薄膜属于第Ⅳ族过渡金属氮化物，NaCl面心立方晶体结构类型，具有高熔点、高硬度、优异的热和化学惰性、导电性、耐腐蚀性和生物相容性[7-10]。正是由于这些优异的性能，TiN在建筑、装饰、机械加工、航空航天以及微电子工业等领域，得到了广泛应用。１　实验方法１．１　实验介绍实验选用靶材为定制的73×3mm氮化钛靶材，基体采用玻璃载片，溅射前用酒精及超声波清洗基体。磁控溅射实验流程：开机准备工作—抽取真空—充气—溅射—整理工作。样品的制备条件为：真空度5×10-4Pa，氩气流量设置为30sccm，溅射时间设置为20分钟，压强设置在3Pa，温度为室温，电压分别设置在500V、750V、1100V、1300V，对应的电流分别是0.1A、0.13A、0.16A、0.2A，并分别将其编号为1号、2号、3号、4号样品。１．２　实验设备及材料采用微米力学性能测试系统（NLS4-4-16-BS1-NA）进行结合力和硬度测试，并用超景深三维显微系统（VHX-1000）对得到的划痕进行形貌观察、评估。微观形貌分析采用扫描电子显微镜（SEM）进行。利用能谱分析仪（EDS）对涂层元素、成分进行分析。划痕测试时，设置划痕总长为2mm，速度设置为5N/min，力逐渐增加至20N；当划痕划完或压痕压完后，再将各个样品分别移至超景深三维显微系统下进行三维测试，以做进一步分析。２　实验结果及讨论２．１　复合涂层的形貌观察图1为磁控溅射方法制备的各试样的宏观图片。由图1可以看出，在不同的功率下，所制备出的氮化钛涂层逐渐加深。1号样品的电压、电流最小，所制备出的氮化钛涂层最不明显，样品仍处于完全透明状态；2号样品的颜色开始出现变化，呈现出淡黄色，说明在这个电压下，可能溅射出氮化钛涂层；3号样品的颜色发生明显变化，呈现出暗黄色，说明在这个电压下，所制备的氮化钛涂层更为明显，效果也更明显；4号样品的电压最大，所制备出的氮化钛涂层也最为明显，玻璃片表面几乎呈现为黑色，制备出的氮化钛涂层在这些样品中也最明显。 （1） （2） （3） （4）图１　镀层的宏观形貌图图2为样品的SEM图像。1号试样氮化钛涂层颜色浅，玻璃基片上没有明显的颗粒沉积现象。2号试样表面可看出试件表面有颗粒的堆积，说明已经制备出一层很薄的氮化钛涂层。3号试样表面可以看到有较明显的颗粒堆积，粒子分布基本均匀，有部分团聚现象。从图上可以明显看到颗粒堆积的形态，基体表面已形成一层较密的氮化钛涂层。4号试样可看到在玻璃片上有较明显的颗粒堆积现象，颗粒更为密集，堆积的形状也更为平整。基体表面可以看出涂层十分致密，颗粒分布均匀，无孔隙和裂纹等缺陷。 （1） （2） （3） （4）图２　涂层的的ＳＥＭ形貌（放大倍率１０００００倍）２．２　试样的ＥＤＳ分析图3为4号样品的能谱分析图。从图谱中可见，4号样TiN涂层的制备及其性能研究姬清华　严芳芳（新乡学院 机电工程学院，新乡 453000）摘 要：本文通过射频磁控溅射沉积的方法，采用TiN靶材在基体上制备了氮化钛涂层，并利用扫描电镜、能谱分析仪、划痕仪、超景深显微镜，对制备的氮化钛涂层的宏观、微观形貌及力学性能进行了检测。研究表明，基体表面形成界面结合良好，镀层十分致密，无孔隙和裂纹等缺陷，实验最佳溅射功率为97.5W。关键词：TiN涂层 磁控溅射 微观组织

金属表面涂层材料的研发及应用

近年来，金属表面涂层材料的研发及应用受到越来越多的关注。随着科技的发展和进步，人类对材料的需求也变得越来越高。金属表面涂层材料作为一种重要的材料，具有很多优点。

一、金属表面涂层材料的种类及特点

金属表面涂层材料主要分为七类:化学镀层、电镀层、热浸镀层、热喷涂、冷喷涂、化学气相沉积及物理气相沉积。这些涂层材料在不同的应用领域有着广泛的用途。

化学镀层是利用电化学方法，在表面形成具有一定厚度的金属层，常用的金属有铜、镍、铬等。它的主要特点是成本低、易于操作、镀层能够紧密地附着于基体表面、能够在复杂的形状和制造工艺上得到应用。

电镀层是将金属离子在基体表面沉积，形成具有一定厚度的金属层。电镀层包括镀铬、镀铜、镀镍等。它的主要特点是制备工艺简单、具有良好的机械性能、密着性好、外观美观。

热喷涂是一种利用热能使金属粉末的凝结与基体表面结合而形成涂层的方法。热喷涂具有优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能，可以用于航空航天、汽车零部件、机械制造等领域。

冷喷涂是将金属粉末通过高速气流喷射于基体表面，再与基体表面结合而形成的涂层。冷喷涂具有良好的附着力、较高的密着性、低热影响区域、涂层光亮度好等特点。

化学气相沉积是指将化学反应气体通过加热的方法，使其在表面形成具有一定厚度的复杂陶瓷涂层。化学气相沉积具有极高的硬度、高的热稳定性、优异的耐磨损及抗蚀性能，多用于制备高温工作零件。 物理气相沉积是指利用物理手段在表面形成具有一定厚度的陶瓷涂层或金属涂层。物理气相沉积涂层具有较高的附着力、较高的硬度、较高的耐磨性，同时还具有抗高温、耐腐蚀、抗氧化等优良特性。

二、金属表面涂层材料的应用

针对各种不同的应用领域，金属表面涂层材料的种类也各不相同。下面我们来重点介绍一下几个常见的应用领域。

1、汽车领域：在汽车零部件上应用金属表面涂层材料，可以提高零部件的耐腐蚀性、耐磨性和抗高温性能。

2、航空航天领域：在航空航天领域，热喷涂、化学气相沉积等金属表面涂层材料能够提高船体的降阻性、减小摩擦系数，延长结构寿命。