最新超硬復(fù)合氮化物陶瓷涂層刀具開(kāi)發(fā)可行性報(bào)告

1、Useful Documents【五星版】最新超硬復(fù)合氮化物陶瓷涂層刀具開(kāi)發(fā)可行性報(bào)告（一）項(xiàng)目的主要內(nèi)容及技術(shù)原理簡(jiǎn)述 本項(xiàng)目旨在利用脈沖偏壓電弧離子鍍?cè)O(shè)備， 采用多元復(fù)合和多層復(fù)合的技術(shù) 手段，開(kāi)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(fù)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(jī)械加工行業(yè)的應(yīng)用。采用各種氣相沉積技術(shù)在高速鋼、 硬質(zhì)合金刀具表面沉積超硬防護(hù)涂層， 實(shí) 現(xiàn)刀具綜合性能和使役壽命的提高， 一直是近年來(lái)材料學(xué)科和刀具行業(yè)致力研究 并迅速發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。 其中電弧離子鍍技術(shù)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(hù)涂層沉積物理氣相沉積技術(shù)。（二）項(xiàng)目的目的和意義在機(jī)械工業(yè)當(dāng)中，采用物理氣相沉積（ PVD）或化學(xué)氣相沉積（ CVD ）技 術(shù)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(lái)越多地應(yīng)用 于工程實(shí)際中。 工程應(yīng)用當(dāng)中迫切需要硬度高、 結(jié)合強(qiáng)度好、 耐高溫腐蝕的高性 能硬質(zhì)鍍層。盡快研究開(kāi)發(fā)高性能的涂層刀具， 在較短的時(shí)間內(nèi)， 形成超硬復(fù)合 涂層刀具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣， 對(duì)于推進(jìn)我省先進(jìn)裝備制造業(yè)的發(fā)脹， 提升我省機(jī)械 加工行業(yè)的整體生產(chǎn)技術(shù)水平，具有十分重要的意

3、義和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本項(xiàng)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(fù)合涂層材料及電弧離子鍍技術(shù)在 刀具行業(yè)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)， 同時(shí)，將極大地促進(jìn)機(jī)械加工行業(yè)的 技術(shù)水平的提升。高性能超硬復(fù)合涂層刀具的研究成功，在我市很多大中型機(jī)械制造加工Useful DocumentsUseful Documents企業(yè)具有巨大的應(yīng)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(dòng)強(qiáng)度，并最終提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高經(jīng)濟(jì)效益，提高機(jī)械加 工行業(yè)的整體技術(shù)水平，節(jié)約大量外匯資金。本項(xiàng)目將獲得多項(xiàng)發(fā)明技術(shù)專利并擁有獨(dú)立的知

4、識(shí)技術(shù)產(chǎn)權(quán)， 有利于形成超 硬復(fù)合涂層刀具高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，提高我省在切削加工高新技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng) 力。以 JL 集團(tuán)為例，每年可節(jié)約的刀具費(fèi)用、工時(shí)費(fèi)用、設(shè)備折舊、零件報(bào) 廢損失費(fèi)用等就可達(dá)到千萬(wàn)元以上。如果在我市機(jī)械加工行業(yè)得以普遍應(yīng)用， 每年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)到上億元。（三）相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)TiN 、TiC 等硬質(zhì)涂層已經(jīng)成功應(yīng)用于刀具表面改性并得到廣泛應(yīng)用， 美國(guó)、 日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的涂層刀具占刀具總量的 80% 以上。研究開(kāi)發(fā)具有更優(yōu)越綜合 性能的超硬復(fù)合防護(hù)涂層引起了機(jī)械加工及刀具行業(yè)的普遍重視和濃厚興趣。 國(guó) 外已先后報(bào)道了相關(guān)的研究結(jié)果與進(jìn)展。 這些進(jìn)展主要集中在二元合

5、金氮化物涂 層的制備工藝和對(duì)刀具等的性能改善結(jié)果上。 （Ti,Al ）N,（Ti,Zr）N,（Ti,Cr）N 等超 硬復(fù)合涂層由于硬度高、摩擦系數(shù)小、抗氧化溫度高等特點(diǎn)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(fù)合涂層以期更進(jìn)一步改善涂 層刀具的綜合使用性能已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)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(wú)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(jìn)口。（四）項(xiàng)目申請(qǐng)單位、主要合作申請(qǐng)單位及項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人的基本情況JG省材料

6、表面工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于 20GG 年 GG月經(jīng)省科技廳批準(zhǔn)正式掛牌Useful DocumentsUseful Documents成立，主要研究方向?yàn)楣δ鼙∧?、新型硬質(zhì)復(fù)合防護(hù)涂層、金屬高溫腐蝕、先進(jìn) 陶瓷材料。材料表面工程實(shí)驗(yàn)室科研用房面積約 500m 2，擁有大型關(guān)鍵儀器總 值已經(jīng)超過(guò) 400 萬(wàn)元.主要儀器設(shè)備包括： 場(chǎng)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(shè)備、非自耗真空電弧爐、 VAF-334 真空退火爐、 LCR 測(cè)試儀等。實(shí)驗(yàn)室擁有博士（后） 11 名，參與完成

7、了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基 金以及“ 863 ”和“ 973 ”重點(diǎn)課題。實(shí)驗(yàn)室目前在研省級(jí)課題 7 項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題 4 項(xiàng)，在研科研經(jīng)費(fèi)超過(guò) 200 萬(wàn)元。實(shí)驗(yàn)室成員 3 年來(lái)共發(fā)表 論文 30 余篇（ SCI或 EI收錄），申請(qǐng)國(guó)家專利 7項(xiàng)。項(xiàng)目申請(qǐng)人 LMS ，19GG 年和 20GG 年，相繼于中科院金屬研究所獲得碩 士學(xué)位和博士學(xué)位， 20GG 年從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所金屬腐蝕與防護(hù)國(guó)家重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室博士后流動(dòng)站出站， 出站后在 JG 科技師范學(xué)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(hù)涂層的工藝、 結(jié)構(gòu)和性能研究， 熟悉表

8、面鍍膜及改性和表面分析等技術(shù)手段及原理， 掌握表面 硬質(zhì)涂層發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，具備先進(jìn)鍍膜設(shè)備的設(shè)計(jì)及高性能涂層的開(kāi)發(fā)能 力，研制成功具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的電弧離子鍍膜設(shè)備多套， 開(kāi)發(fā)了多種高性能防 護(hù)涂層。 作為項(xiàng)目組主要成員， 已經(jīng)完成了中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新基金項(xiàng)目、 863 重大 項(xiàng)目及 863 國(guó)防先進(jìn)材料專項(xiàng)資助項(xiàng)目各一項(xiàng)。目前在研課題有國(guó)家自然科學(xué) 基金“納米涂層熱生長(zhǎng)氧化膜的力學(xué)行為研究” （主要負(fù)責(zé)人之一） 、863 課題子 課題“航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)用物理氣相沉積氮化鈦鋁防護(hù)涂層” （負(fù)責(zé)人）、JG 省 自然科學(xué)基金“鉻、釔改性氮化鈦鋁硬質(zhì)涂層的沉積和性能研究” （負(fù)責(zé)人）、金 屬腐蝕與防

9、護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題“電弧離子鍍雙極脈沖偏壓作用機(jī)理研 究”（負(fù)責(zé)人）。已申請(qǐng)發(fā)明專利 5 項(xiàng)、已獲授權(quán) 2 項(xiàng)；以第一作者在國(guó)內(nèi)外著Useful DocumentsUseful Documents名刊物上發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)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(guān)本項(xiàng)目的現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和支撐條件 項(xiàng)目組成員近十年來(lái)一直從事真空鍍膜方面的研究工作，了解防護(hù)涂層 最新的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，掌握先進(jìn)的沉積技術(shù)及涂層設(shè)計(jì)的原理,在涂層成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jìn)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(fù)合涂層，所獲得的涂層顯微硬度達(dá)到25 40Gpa 。其中開(kāi)發(fā)的Ti0.7 Al 0.3 N 硬質(zhì)防護(hù)涂層已經(jīng)通過(guò)國(guó)防科工委專家鑒定并在在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓 氣機(jī)壓片上應(yīng)用，申請(qǐng)發(fā)明相關(guān)專利 2 項(xiàng)。二、項(xiàng)目實(shí)施方案（一）項(xiàng)目達(dá)到的目標(biāo)及考核的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) （含知識(shí)產(chǎn)權(quán)、 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)） 開(kāi)發(fā)的新型防護(hù)涂層硬度達(dá)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(qǐng) 1 項(xiàng)專利，發(fā)表論文 2 篇（ SCI）。（二）項(xiàng)目的主要研究（開(kāi)發(fā)）內(nèi)容離子鍍膜機(jī)系統(tǒng)

11、改造： 設(shè)計(jì)磁過(guò)濾源離子鍍、 中頻磁控濺射復(fù)合鍍膜系統(tǒng)， 采用雙極脈沖偏壓和數(shù)控轉(zhuǎn)架，實(shí)現(xiàn)復(fù)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(yīng)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(fù)合涂層組織、結(jié)構(gòu)、沉積速率等的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)幾種納米復(fù)合多層膜，研究膜層組成、調(diào)制周期等對(duì)多層膜界面結(jié) 構(gòu)、力學(xué)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)復(fù)合涂層沉積工藝、涂層結(jié)構(gòu)、 組成、力學(xué)性能、抗氧化抗腐蝕性能的最佳匹配。進(jìn)行涂覆刀具的高速切削、 干切削、硬切削試驗(yàn)， 分析涂層刀具失效過(guò)程與 機(jī)理。（三）試驗(yàn)（開(kāi)發(fā)）規(guī)模及地點(diǎn) 涂層試樣及涂層刀具的制備、表征等工作在 JG 科技師范學(xué)院材料表面工程 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，切削試驗(yàn)一部分在本試驗(yàn)室進(jìn)行，另一部分委托 JL 集團(tuán)等企 業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)估。（四）主要技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn) 復(fù)合多層設(shè)計(jì)及多元設(shè)計(jì)；通過(guò)梯度設(shè)計(jì)提高涂層和基體之間的結(jié)合強(qiáng) 度；兼顧涂層的高硬度和良好的韌性。（五）實(shí)施方案（含技術(shù)路線、工藝流程及技術(shù)關(guān)鍵的解決方案）

13、技術(shù)路線利用雙極脈沖偏壓電弧離子鍍和非對(duì)稱中頻濺射技術(shù)， 通過(guò)對(duì)涂層的復(fù)合設(shè) 計(jì)和多層設(shè)計(jì)， 在高速鋼、硬質(zhì)合金刀具材料上沉積幾種復(fù)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(jì)、劃痕儀、磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)等技術(shù)和設(shè)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(duì)涂層的熔滴形 成、沉積速率、 成分、相結(jié)構(gòu)等的影響， 不同涂層的力學(xué)性能 （硬度、結(jié)合強(qiáng)度、Useful DocumentsUse

14、ful Documents抗磨損性)、抗氧化性能、抗腐蝕性能、電化學(xué)性能，多層膜的組成及調(diào)制周期 對(duì)涂層的結(jié)構(gòu)和性能的影響。開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的超硬涂層刀具。工藝流程靶材/ 基體準(zhǔn)備鍍膜工藝實(shí)驗(yàn)涂層組織結(jié)構(gòu)分析 涂層性能實(shí)驗(yàn)最佳成分及沉積工藝涂層刀具制備切削試驗(yàn)涂層失效 過(guò)程與機(jī)理專利申請(qǐng) / 結(jié)題鑒定成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵的解決方案方案根據(jù)不同涂層 / 基體體系設(shè)計(jì)過(guò)渡層，并通過(guò)工藝控制實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)渡層 的優(yōu)化，保證涂層和基體之間具有高的結(jié)合強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)多元氮化物涂層的成分控制。 合理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不同的過(guò)渡層，提高涂

15、層和基體的理化 匹配性并提高結(jié)合強(qiáng)度。(六) 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析 本課題組在涂層成分設(shè)計(jì)、 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(jìn)展， 積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)， 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(hù)涂層，并掌握了沉積過(guò)程的實(shí)際控制方法，在硬質(zhì)合金基體上獲得 了顯微硬度超過(guò) 3000Hv 的超硬涂層。 因此本項(xiàng)目利用電弧離子鍍開(kāi)發(fā)超硬復(fù) 合涂層刀具的技術(shù)工藝是成熟的。(七) 分年度的工作內(nèi)容、目標(biāo)第一年度：Useful DocumentsUsefu

16、l Documents完成沉積工藝對(duì)超硬復(fù)合涂層組織、結(jié)構(gòu)、成分、附著力、沉積速率 的影響規(guī)律研究； 完成涂層的結(jié)構(gòu)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(jìn)度如下：20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靶材熔煉基體試樣及刀具準(zhǔn)備20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 沉積復(fù)合涂層和復(fù)合多層膜，研究沉積工藝撰寫(xiě)并發(fā)表論文 1-2 篇。20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月測(cè)試涂層的硬度、膜 / 基結(jié)合強(qiáng)度、摩擦磨損性能、強(qiáng)度和疲勞性能等 力學(xué)性能。分析結(jié)果并發(fā)表論文 1-2 篇。20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 測(cè)試涂

17、層的高溫抗氧化性、抗腐蝕性能、電化學(xué)性能。進(jìn)行理論研究， 撰寫(xiě)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(duì)高速鋼及硬質(zhì)合金涂層刀具，分別實(shí)現(xiàn)最佳涂層成 分、最佳沉積工藝及最佳性能匹配，開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)越的系列超硬復(fù)合涂層 刀具；申報(bào)相關(guān)專利；完成成果鑒定驗(yàn)收；實(shí)施技術(shù)成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。具體進(jìn)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(jìn)行涂覆刀具切削實(shí)驗(yàn)，研究刀具涂層的失效機(jī)理及涂層結(jié)構(gòu)、性能對(duì)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(xiě)并發(fā)表論文 1 篇 20GG 年 GG 月-20GG 年 GG 月 全面對(duì)課題工作進(jìn)行分析與研究，申報(bào)專利 1-2 項(xiàng)。20GG 年 GG 月 -20GG 年 GG 月結(jié)題并撰寫(xiě)書(shū)面報(bào)告。八）申請(qǐng)單位、合作申請(qǐng)單位及主要人員的分工姓名年齡職務(wù)職稱所在單位在課題中的分工LMS35教授JG 科技師范學(xué)院負(fù)責(zé)人朱圣龍40研究員博導(dǎo)中科院金屬腐蝕與防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人張淑娟28講師JG 科技師范學(xué)院涂層及涂層刀具制備劉庭芝32講師JG 科技師范學(xué)院結(jié)構(gòu)分析婁謹(jǐn)26講師JG 科技師范學(xué)院力學(xué)性能分析楊干蘭28講師JG 科技師范學(xué)院刀具切削試驗(yàn)九

19、）組織及管理的運(yùn)行機(jī)制本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)采取分工負(fù)責(zé)制， 落實(shí)工作內(nèi)容到人， 責(zé)任到人， 明確各主 要研究人員的責(zé)任和具體工作內(nèi)容。 在研究過(guò)程中， 根據(jù)研究工作進(jìn)展情況， 定 期（每 3 個(gè)月）交換意見(jiàn)，進(jìn)行研究討論，及時(shí)溝通、配合、總結(jié)、調(diào)整，能 夠確保該項(xiàng)目如期順利完成。（十）相關(guān)依托工程（含技術(shù)）的落實(shí)情況JG 科技師范學(xué)院材料表面工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多數(shù)具備涂層沉積設(shè)備、結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備； JG科技師范學(xué)院將對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行 1：1 經(jīng)費(fèi)配套；中科Useful DocumentsUseful Documents院金屬腐蝕與防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)支持和分析測(cè)試支持。（十一）有

20、關(guān)本項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)狀況分析 國(guó)內(nèi)超硬復(fù)合涂層刀具開(kāi)發(fā)還處于起步階段。本項(xiàng)目將獲得多項(xiàng)發(fā)明技術(shù) 專利并擁有獨(dú)立的知識(shí)技術(shù)產(chǎn)權(quán)，有利于形成超硬復(fù)合涂層刀具高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)， 提高我市在切削加工高新技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。三、市場(chǎng)分析本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的超硬復(fù)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(jī)械制造加工企業(yè)推廣應(yīng)用。Useful Documents四、經(jīng)費(fèi)預(yù)算及籌措方案經(jīng)費(fèi)來(lái)源預(yù)算經(jīng)費(fèi)支出預(yù)算科目預(yù)算數(shù)科目預(yù)算數(shù)來(lái)源預(yù)算合計(jì)4.00支出預(yù)算合計(jì)4.001、儀器設(shè)備購(gòu)置0費(fèi)1、申請(qǐng)課題撥款其中年度撥款2、材料、樣品費(fèi)1.00第一第二第三3、土建安裝費(fèi)年年年114、試驗(yàn)費(fèi)2.002