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随着械加工朝着高速、高精度、高效和环保等方面发展,改善现有刀具是一项有重大意义的任务。刀具涂层可显著提升刀具切削性能,通过在刀具表面沉积一层或多层硬度高、耐磨性好、抗氧化能力强的涂层,可以极大的提升刀具的使用寿命和加工效率。目前,刀具涂层正朝着多元化、复合化、纳米化和低温沉积的方向发展,PVD工艺已成为主流技术。与纳米多层膜相比,纳米复合刀具涂层应用范围更广,实用性更强。基于上述背景,本文采用高功率脉冲磁控溅射与脉冲直流磁控共溅射复合技术制备Zr-B-O-N刀具涂层,通过系统研究氧含量对涂层生长、高温下组织结构演变、力学性能、摩擦磨损性能、抗氧化能力和涂层刀具切削性能等方面的影响,搞清楚Zr-B-O-N涂层组织结构的生成规律、在高温下的演变规律,与此相关的力学性能、摩擦学行为和切削性能的变化规律,以及氧元素对Zr-B-O-N涂层组织结构和性能的影响机理。Zr-B-O-N涂层的表面和断面形貌由扫描电子显微镜(SEM)和超景深显微镜观察;成分由能谱仪(EDX)进行分析;物相组成采用X射线衍射仪进行测试;硬度和弹性模量采用纳米压痕仪和显微硬度计测量;内应力由薄膜应力仪测量;摩擦学性能由摩擦磨损试验机测得;磨损率采用表面形貌仪测量计算得到。试验结果表明:成功制备出具有纳米复合结构的Zr-B-O-N涂层,涂层表面光滑致密,随着涂层内氧含量的增加,涂层由纳米复合结构开始向纳米晶结构转化,残余应力整体偏小,由于非晶软质相的存在,可以起到良好的缓冲作用,硬度先升高后降低,当氧气流量比为44.44%时,硬度最高为24.12GPa,但此时磨损率较大,反之,当氧气流量比达到66.67%时,硬度最低同时磨损率最低,表明硬度不是影响涂层耐磨性的唯一因素;在进行500℃热处理实验后,发现氧气流量比为66.67%的Zr-B-O-N涂层表面截面形貌变化最小,说明氧含量越多的Zr-B-O-N涂层抗氧化性能更加优良,但同时不可忽视的是反应时氧气越多,会造成严重的把中毒现象,同时涂层也会变脆,因此含氧涂层的制备应当选用合适的氧气流量。此外,Zr-B-O-N涂层在800℃时出现裂纹,因此本文所制涂层适用于800℃以下的切削实验。选择已优化的工艺参数,在高速钢刀具上分别沉积Zr-B-O-N涂层和Zr-B-N涂层并在Hanland XH715D加工中心上进行铣削实验,结果表明:Zr-B-O-N刀具涂层使用寿命比Zr-B-N刀具涂层提高约1.2~1.5倍,Zr-B-N刀具涂层在切削过程中产生了明显的高温氧化现象,切削刀面上产生了粘结,形成了积屑瘤,而在Zr-B-O-N刀具涂层上并未发现,因此O元素的添加可以有效提升涂层的切削性能。