尚择优选超硬复合氮化物陶瓷涂层刀具开发可行性报告.docx
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尚择优选超硬复合氮化物陶瓷涂层刀具开发可行性报告
NC市20XX年科技计划项目
可行性研究报告
计划类别：
工业攻关
项目名称：
XXX
项目类别：
一般项目
课题名称：
超硬复合氮化物陶瓷涂层刀具开发
申请单位：
JX科技师范学院JX省材料表面工程重点实验室（盖章）
项目（课题）负责人：
LMS
起止年限：
20XX.XX-20XX.XX
通讯地址、邮编：
JX科技师范学院材料表面工程研究所330013
联系电话、传真：
XXX
报告编制单位：
JX科技师范学院
一、总论
超硬复合氮化物陶瓷涂层刀具开发可行性报告
（一）项目的主要内容及技术原理简述
本项目旨在利用脉冲偏压电弧离子镀设备，采用多元复合和多层复合的技术手段，开发硬度高耐磨性好和抗氧化的高性能钛铝铬钇氮化物（Ti,Al,Cr,Y）N复合涂层，发展适合于干切削和高速切削的高性能涂层刀具，推广高性能涂层刀具在机械加工行业的应用。
采用各种气相沉积技术在高速钢、硬质合金刀具表面沉积超硬防护涂层，实现刀具综合性能和使役寿命的提高，一直是近年来材料学科和刀具行业致力研究并迅速发展的一个重要研究方向。
其中电弧离子镀技术由于操作方便参数易于控制离化率高沉积速度快,成为主要的防护涂层沉积物理气相沉积技术。
（二）项目的目的和意义
在机械工业当中，采用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）技术在高速钢和硬质合金刀具、模具等部件上涂覆TiN、TiC、Al2O3等硬质镀层,大大改善了刀具、模具的耐磨性，显著提高了它们的耐用性，已越来越多地应用于工程实际中。
工程应用当中迫切需要硬度高、结合强度好、耐高温腐蚀的高性能硬质镀层。
尽快研究开发高性能的涂层刀具，在较短的时间内，形成超硬复合涂层刀具产业化应用推广，对于推进我省先进装备制造业的发胀，提升我省机械加工行业的整体生产技术水平，具有十分重要的意义和巨大的潜在经济价值。
本项目的完成将显著提高高速钢刀具及硬质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寿命，为超硬复合涂层材料及电弧离子镀技术在刀具行业的进一步推广应用奠定良好基础，同时，将极大地促进机械加工行业的技术水平的提升。
高性能超硬复合涂层刀具的研究成功，在我市很多大中型机械制造加工企业具有巨大的应用前景，将极大地降低加工成本，提高成品率，减少材料消耗，减轻劳动强度，并最终提高劳动生产率，提高经济效益，提高机械加工行业的整体技术水平，节约大量外汇资金。
本项目将获得多项发明技术专利并拥有独立的知识技术产权，有利于形成超硬复合涂层刀具高新技术产业，提高我省在切削加工高新技术领域的国际竞争力。
以JL集团为例，每年可节约的刀具费用、工时费用、设备折旧、零件报废损失费用等就可达到千万元以上。
如果在我市机械加工行业得以普遍应用，每年创经济效益将达到上亿元。
（三）相关技术领域国内外发展现状、趋势
TiN、TiC等硬质涂层已经成功应用于刀具表面改性并得到广泛应用，美国、日本等发达国家的涂层刀具占刀具总量的80%以上。
研究开发具有更优越综合性能的超硬复合防护涂层引起了机械加工及刀具行业的普遍重视和浓厚兴趣。
国外已先后报道了相关的研究结果与进展。
这些进展主要集中在二元合金氮化物涂层的制备工艺和对刀具等的性能改善结果上。
（Ti,Al）N,（Ti,Zr）N,（Ti,Cr）N等超硬复合涂层由于硬度高、摩擦系数小、抗氧化温度高等特点而比TiN涂层更适合于刀具超硬表面改性。
研究和发展多元合金超硬复合涂层以期更进一步改善涂层刀具的综合使用性能已成为该领域的研究热点。
国内在二元合金亚稳陶瓷涂层方面的研究极为有限，主要集中在（Ti,Al）N涂层的研究上，处于涂层质量与制备工艺的起步研究阶段。
目前，尚无专业的超硬涂层刀具的制造厂家，大量的高质量、高性能刀具不得不依赖于进口。
（四）项目申请单位、主要合作申请单位及项目主要负责人的基本情况
JX省材料表面工程重点实验室于20XX年XX月经省科技厅批准正式挂牌成立，主要研究方向为功能薄膜、新型硬质复合防护涂层、金属高温腐蚀、先进陶瓷材料。
材料表面工程实验室科研用房面积约500m2，拥有大型关键仪器总值已经超过400万元.主要仪器设备包括：
场发射扫描电子显微镜（SEM/EDX）、X射线衍射仪（XRD）、VersaThermHM热重分析仪、磁控溅射仪、电弧离子镀、真空热压仪、微弧氧化设备、非自耗真空电弧炉、VAF-334真空退火炉、LCR测试仪等。
实验室拥有博士（后）11名，参与完成了多项国家自然科学基金以及“863”和“973”重点课题。
实验室目前在研省级课题7项，国家重点实验室开放课题4项，在研科研经费超过200万元。
实验室成员3年来共发表论文30余篇（SCI或EI收录），申请国家专利7项。
项目申请人LMS，19XX年和20XX年，相继于中科院金属研究所获得硕士学位和博士学位，20XX年从中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室博士后流动站出站，出站后在JX科技师范学院材料表面工程研究所工作，于20XX年XX月破格晋升为教授。
一直从事物理气相沉积防护涂层的工艺、结构和性能研究，熟悉表面镀膜及改性和表面分析等技术手段及原理，掌握表面硬质涂层发展的现状和趋势，具备先进镀膜设备的设计及高性能涂层的开发能力，研制成功具有国内先进水平的电弧离子镀膜设备多套，开发了多种高性能防护涂层。
作为项目组主要成员，已经完成了中国科学院创新基金项目、863重大项目及863国防先进材料专项资助项目各一项。
目前在研课题有国家自然科学基金“纳米涂层热生长氧化膜的力学行为研究”（主要负责人之一）、863课题子课题“航空发动机压气机用物理气相沉积氮化钛铝防护涂层”（负责人）、JX省自然科学基金“铬、钇改性氮化钛铝硬质涂层的沉积和性能研究”（负责人）、金属腐蚀与防护国家重点实验室开放课题“电弧离子镀双极脉冲偏压作用机理研究”（负责人）。
已申请发明专利5项、已获授权2项；以第一作者在国内外著名刊物上发表相关学术领域的论文十多余篇，其中7篇为SCI收录，1篇为EI收录。
（五）有关本项目的现有工作基础和支撑条件
项目组成员近十年来一直从事真空镀膜方面的研究工作，了解防护涂层最新的研究进展和发展趋势，掌握先进的沉积技术及涂层设计的原理,在涂层成分和结构设计、沉积工艺参数控制、涂层组织及性能分析等方面取得显著的进展，已经成功地制备出（Ti,Al）N、（Cr,Al）N、（Ti,Al，Y）N、（Ti,Al,Cr,Y）N等超硬复合涂层，所获得的涂层显微硬度达到25—40Gpa。
其中开发的Ti0.7Al0.3N硬质防护涂层已经通过国防科工委专家鉴定并在在航空发动机压气机压片上应用，申请发明相关专利2项。
二、项目实施方案
（一）项目达到的目标及考核的主要技术经济指标（含知识产权、技术标准）
开发的新型防护涂层硬度达到28-35Gpa,涂层刀具寿命比未涂覆的刀具寿命提高100%-800%,比涂覆氮化钛的涂层刀具提高50%-300%。
申请1项专利，发表论文2篇（SCI）。
（二）项目的主要研究（开发）内容
离子镀膜机系统改造：
设计磁过滤源离子镀、中频磁控溅射复合镀膜系统，采用双极脉冲偏压和数控转架，实现复合涂层的沉积和多层膜的沉积，提高涂层的质量。
研究反应气体流量、脉冲偏压、靶才成分、电弧电流等沉积参数（Ti,Al,Cr）N、（Ti,Al,Cr,Y）N复合涂层组织、结构、沉积速率等的影响规律。
设计几种纳米复合多层膜，研究膜层组成、调制周期等对多层膜界面结构、力学性能和抗腐蚀性能的影响规律。
研究涂层的附着强度、硬度、耐磨性、抗氧化性、抗腐蚀性与刀具使用性能及寿命之间的影响作用规律；
根据不同的涂层-基体体系优化沉积工艺，确定高速钢涂层刀具及硬质合金涂层刀具的最佳涂层成分及最佳沉积工艺。
实现复合涂层沉积工艺、涂层结构、组成、力学性能、抗氧化抗腐蚀性能的最佳匹配。
进行涂覆刀具的高速切削、干切削、硬切削试验，分析涂层刀具失效过程与机理。
（三）试验（开发）规模及地点
涂层试样及涂层刀具的制备、表征等工作在JX科技师范学院材料表面工程重点实验室进行，切削试验一部分在本试验室进行，另一部分委托JL集团等企业进行现场试验评估。
（四）主要技术关键及创新点
复合多层设计及多元设计；通过梯度设计提高涂层和基体之间的结合强度；兼顾涂层的高硬度和良好的韧性。
（五）实施方案（含技术路线、工艺流程及技术关键的解决方案）
技术路线
利用双极脉冲偏压电弧离子镀和非对称中频溅射技术，通过对涂层的复合设计和多层设计，在高速钢、硬质合金刀具材料上沉积几种复合氮化物涂层和多层膜，采用扫描电子显微镜（SEM），能谱分析（EDS），电子探针（EPMA），X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）、热重分析（TGA）、高温腐蚀热天平、显微硬度计、划痕仪、磨损实验机等技术和设备，研究了沉积工艺参数（N2分压、基体脉冲偏压、靶材成分等）对涂层的熔滴形成、沉积速率、成分、相结构等的影响，不同涂层的力学性能（硬度、结合强度、抗磨损性）、抗氧化性能、抗腐蚀性能、电化学性能，多层膜的组成及调制周期对涂层的结构和性能的影响。
开发出性能优异的超硬涂层刀具。
工艺流程
靶材/基体准备镀膜工艺实验涂层组织结构分析
涂层性能实验最佳成分及沉积工艺涂层刀具制备切削试验涂层失效过程与机理专利申请/结题鉴定成果转化与应用
技术关键的解决方案方案
根据不同涂层/基体体系设计过渡层，并通过工艺控制实现对过渡层的优化，保证涂层和基体之间具有高的结合强度。
实现多元氮化物涂层的成分控制。
合理设计多层膜的组成和调制周期，使涂层既具有的硬度又具有良好的韧性。
根据不同的涂层/基体体系设计不同的过渡层，提高涂层和基体的理化匹配性并提高结合强度。
（六）技术风险分析
本课题组在涂层成分设计、沉积工艺参数控制、涂层组织及性能分析等方面，本研究组已取得显著的进展，积累了丰富的经验，已经成功地研制出CrN、（Ti,Al）N、（Ti,Al,Y）N、Ti（C,N）等超硬涂层和MCrAlY、TiAlCrAg、TiAlNb等高温防护涂层，并掌握了沉积过程的实际控制方法，在硬质合金基体上获得了显微硬度超过3000Hv的超硬涂层。
因此本项目利用电弧离子镀开发超硬复合涂层刀具的技术工艺是成熟的。
（七）分年度的工作内容、目标
第一年度：
完成沉积工艺对超硬复合涂层组织、结构、成分、附着力、沉积速率的影响规律研究；完成涂层的结构研究和硬度、耐磨性、韧性、耐氧化性、耐腐蚀性等性能的研究。
具体进度如下：
20XX年XX月---20XX年XX月
实验设计靶材熔炼基体试样及刀具准备
20XX年XX月---20XX年XX月
沉积复合涂层和复合多层膜，研究沉积工艺撰写并发表论文1-2篇。
20XX年XX月---20XX年XX月
测试涂层的硬度、膜/基结合强度、摩擦磨损性能、强度和疲劳性能等力学性能。
分析结果并发表论文1-2篇。
20XX年XX月---20XX年XX月
测试涂层的高温抗氧化性、抗腐蚀性能、电化学性能。
进行理论研究，撰写并发表论文1-2篇。
第二年度：
确定高速钢涂层刀具及硬质合金涂层刀具的最佳涂层成分及最佳沉积工艺；针对高速钢及硬质合金涂层刀具，分别实现最佳涂层成分、最佳沉积工艺及最佳性能匹配，开发出性能优越的系列超硬复合涂层刀具；申报相关专利；完成成果鉴定验收；实施技术成果转化与应用。
具体进度如下：
20XX年XX月---20XX年XX月
优化沉积工艺、获得涂覆刀具。
20XX年XX月---20XX年XX月
进行涂覆刀具切削实验，研究刀具涂层的失效机理及涂层结构、性能对刀具使用性能及使用寿命的影响的作用规律研究。
撰写并发表论文1篇。
20XX年XX月---20XX年XX月
全面对课题工作进行分析与研究，申报专利1-2项。
20XX年XX月---20XX年XX月结题并撰写书面报告。
（八）申请单位、合作申请单位及主要人员的分工
姓名
年龄
职务职称
所在单位
在课题中的分工
LMS
35
教授
JX科技师范学院
负责人
朱圣龙
40
研究员博导
中科院金属腐蚀与防护国家重点实验室
负责人
张淑娟
28
讲师
JX科技师范学院
涂层及涂层刀具制备
刘庭芝
32
讲师
JX科技师范学院
结构分析
娄谨
26
讲师
JX科技师范学院
力学性能分析
杨干兰
28
讲师
JX科技师范学院
刀具切削试验
（九）组织及管理的运行机制
本项目研究开发采取分工负责制，落实工作内容到人，责任到人，明确各主要研究人员的责任和具体工作内容。
在研究过程中，根据研究工作进展情况，定期（每3个月）交换意见，进行研究讨论，及时沟通、配合、总结、调整，能够确保该项目如期顺利完成。
（十）相关依托工程（含技术）的落实情况
JX科技师范学院材料表面工程重点实验室多数具备涂层沉积设备、结构分析和力学性能测试设备；JX科技师范学院将对该项目进行1：
1经费配套；中科院金属腐蚀与防护国家重点实验室将对该项目进行技术支持和分析测试支持。
（十一）有关本项目的国内外知识产权状况分析
国内超硬复合涂层刀具开发还处于起步阶段。
本项目将获得多项发明技术专利并拥有独立的知识技术产权，有利于形成超硬复合涂层刀具高新技术产业，提高我市在切削加工高新技术领域的国际竞争力。
三、市场分析
本项目所开发的超硬复合涂层刀具在高速切削、干切削、硬切削等方面具有广泛的适用性和优越性，特别适用于难加工材料的切削加工及现代化的加工中心，因此可在我市所有机械制造加工企业推广应用。
四、经费预算及筹措方案
经费的预算、筹措方案和经费用途及年度用款计划如下表所示：
经费来源预算
经费支出预算
科目
预算数
科目
预算数
来源预算合计
4.00
支出预算合计
4.00
1、申请课题拨款
1、仪器设备购置费
0
其中年度拨款
2、材料、样品费
1.00
第一年
第二年
第三年
3、土建安装费
1
1
4、试验费
2.00
2、申请单位自筹
2
5、资料费调研费
0.50
3、合作申请单位自筹
6、鉴定费
0
4、成果应用单位资助
7、技术合作费
0.30
5、主管部门资助
8、其它费用
0.20
6、银行贷款或其它资助
五、技术经济可行性的综合评价
项目的目的和意义、达到的技术经济指标、实施方案、实施条件、经济社会效益、经费预算的合理性等的综合性评价。
本课题旨在利用脉冲偏压电弧离子镀设备，采用多元复合和多层复合的技术手段，开发硬度高耐磨性好和抗氧化的高性能钛铝铬钇氮化物（Ti,Al,Cr,Y）N复合涂层，发展适合于干切削和高速切削的高性能涂层刀具，推广高性能涂层刀具在机械加工行业的应用。
本课题研究对于提升机械加工行业的整体生产技术水平具有十分重要的意义和巨大的经济价值。
本课题完成后将开发成功新型防护涂层，硬度达到28-35Gpa,涂层刀具寿命比未涂覆的刀具寿命提高100%-800%,比涂覆氮化钛的涂层刀具提高50%~300%。
将实现新型涂层刀具在机械加工行业的应用，争取产生100万元以上的经济效益。
本项目设备条件齐备、人员结构合理；除所申请的经费外，还有博士启动基金15万元及中科院金属腐蚀与防护国家重点实验室开放基金4万元已用于该项目的前期预研，因此经费充足、预算合理，能保证该项目的顺利完成。
六、附件：
申请立项前的工作进展和工作基础的有关材料（有关鉴定报告、检测报告、用户使用报告等）。
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