【摘 要】
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高速切削与干式切削技术的普及应用对刀具表面涂层的整体性能提出了更高的要求;开发高硬度高热稳定性的硬质涂层材料及其先进的制备工艺对切削刀具行业的发展具有重大的意义。近年来,采用物理气相沉积的阴极弧蒸发技术在较低的温度（<600°C）和较宽的成分范围内能够合成刚玉型（Al,Cr）2O3涂层并展现出类似α-Al2O3涂层的良好的力学性能、热稳定性和化学稳定性而备受关注。然而,（Al,Cr）2O3涂层在工
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高速切削与干式切削技术的普及应用对刀具表面涂层的整体性能提出了更高的要求;开发高硬度高热稳定性的硬质涂层材料及其先进的制备工艺对切削刀具行业的发展具有重大的意义。近年来,采用物理气相沉积的阴极弧蒸发技术在较低的温度（<600°C）和较宽的成分范围内能够合成刚玉型（Al,Cr）2O3涂层并展现出类似α-Al2O3涂层的良好的力学性能、热稳定性和化学稳定性而备受关注。然而,（Al,Cr）2O3涂层在工业应用中仍面临着一定的挑战,首先是涂层制备过程中的“靶材毒化”对工艺稳定性和涂层生长带来的负面影响,其次是需实现对（Al,Cr）2O3涂层结构和性能的有效调控。为此,本论文基于阴极弧蒸发技术,首先通过优化阴极磁场和沉积气氛的方法来改善“靶材毒化”的现状,探寻稳定制备（Al,Cr）2O3涂层的阴极弧蒸发沉积工艺;其次,通过基体偏压对成膜粒子的能量控制来促进（Al,Cr）2O3涂层的α相结晶以及提高涂层的力学性能和摩擦磨损性能;最后,研究了Cr含量对（Al,Cr）2O3涂层物相结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响。本论文主要研究结果如下:1、相比于永磁体和电磁线圈叠加产生的MAG1磁场,采用仅由电磁线圈产生的MAG2磁场,有效地减缓了“靶材毒化”的程度,从而提高了涂层工艺的稳定性和靶材利用率,但并没能改善(Al0.5Cr0.5)2O3涂层的表面质量。沉积气氛中引入氩气使2:=1:4时,同样可以有效减缓“靶材毒化”的程度,但较高的氩气分压增加了大颗粒的喷溅,导致(Al0.5Cr0.5)2O3涂层中大颗粒缺陷的增加。在0.75～3.0 Pa的纯氧气气氛下,较低的沉积气压有利于减少“靶材毒化”和涂层中的大颗粒缺陷。2、随着基体偏压的增加,(Al0.5Cr0.5)2O3涂层表面的大颗粒缺陷减少,残余应力和结合力则先增加后减小;本论文中,当偏压为-100 V时,涂层具有最高的结合力为60.5N。基体偏压的适当增加,提高了离子的能量和轰击效应,能够明显地促进(Al0.5Cr0.5)2O3涂层的结晶,并且有利于热力学稳定的α相形成;本论文中,当基体偏压为-150 V时(Al0.5Cr0.5)2O3涂层具有最高的硬度和弹性模量,分别为32.4±1.2 GPa和376.2±16.3 GPa。此外,涂层的摩擦系数随着基体偏压的增加而减小,当基体偏压为-200 V时,涂层具有最小的摩擦系数为0.45。3、不同成分的Al-Cr合金靶材的烧蚀存在明显的差异,其中成分为Al50Cr50at.%的靶材的“毒化”最为严重。Cr含量的增加能明显地促进（Al,Cr）2O3涂层的结晶;其中高Al含量的(Al0.7Cr0.3)2O3涂层主要为非晶相,混合有细小晶粒的α相和γ相,而(Al0.5Cr0.5)2O3、(Al0.3Cr0.7)2O3和Cr2O3涂层为单一的α相结构;(Al0.5Cr0.5)2O3涂层具有最高的硬度和弹性模量,分别为32.3±1.6 GPa和374.1±21.6 GPa。（Al,Cr）2O3涂层的摩擦系数均为0.55左右,Cr2O3涂层因其光滑的表面质量,摩擦系数仅为0.37。
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