陶瓷涂層作為一種具有極高硬度的材料,在不改變基體外形和尺寸的前提下,通過一定方法沉積在基體表面,能夠有效改善基體的耐磨性能、力學性能和使用壽命等。隨著表面工程技術的快速發(fā)展,高性能陶瓷涂層的制備技術逐漸豐富,應用領域不斷擴大,使用高性能陶瓷涂層的裝置和零部件也越來越多。其中,TiN和TiAlN陶瓷涂層具有較低的摩擦系數(shù)、較高的熔點和硬度以及良好的耐磨性能等優(yōu)點,已廣泛應用于機械和微電子等工業(yè)領域,成為國內(nèi)外硬質(zhì)涂層材料研究的熱點。 本文采用PVD技術分別在40Cr鋼試片、YT15硬質(zhì)合金刀具和齒輪表面沉積了TiN和TiAlN涂層,并進行了以下試驗：(1)以304不銹鋼球為摩擦配副,對40Cr鋼表面的TiN和TiAlN涂層進行了干式往復滑動試驗,研究法向載荷對涂層摩擦系數(shù)的影響,分析磨痕形貌和磨損機理；(2)采用未涂層刀具以及TiN和TiAlN涂層刀具對調(diào)質(zhì)40Cr鋼進行干切削試驗,測量其在不同切削參數(shù)下的切削力和不同切削速度下的工件表面粗糙度值；(3)采用田口方法建立以切削速度、進給量和背吃刀量為設計變量,以表面粗糙度為輸出特性指標的切削試驗模型,對40Cr鋼進行涂層刀具正交干切削試驗,獲取TiN和TiAlN涂層刀具最優(yōu)的切削參數(shù)；(4)采用Deform3D軟件對涂層刀具的切削過程進行有限元分析,得到涂層刀具在不同切削速度下應力場、溫度場和切削力的分布及變化規(guī)律,并與試驗結(jié)果進行對比；(5)采用掃描電鏡對切削試驗后TiN和TiAlN涂層刀具的磨損區(qū)域進行微觀觀察,并進行EDS分析,探討涂層刀具的磨損形態(tài)和磨損機理；(6)對TiN和TiAlN涂層沉積后的齒輪進行臺架試驗,分析齒輪涂層對齒輪傳動效率和耐磨性能的影響。以上研究表明： (1)TiN涂層的摩擦系數(shù)隨法向載荷的增大而減小,且曲線較為平穩(wěn)；TiAlN涂層的摩擦系數(shù)隨法向載荷的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且曲線波動較大。TiN和TiAlN涂層在低載荷時的磨損機理主要是磨粒磨損,較高載荷時的磨損機理則是氧化磨損、磨粒磨損和粘結(jié)磨損共存。 (2)在相同的切削參數(shù)下,三種刀具的切削力和加工表面粗糙度由小到大的排序是：TiAlN涂層刀具TiN涂層刀具YT15刀具。 (3)以表面粗糙度為優(yōu)化目標時,TiN涂層刀具最優(yōu)切削參數(shù)水平為切削速度120m/min,進給量0.1mm/r,背吃刀量0.8mm,此時表面粗糙度為Ral.85μm; TiAlN涂層刀具最優(yōu)切削參數(shù)水平為切削速度190m/min,進給量0.1mm/r,背吃刀量0.8mm,此時表面粗糙度為Ral.27μm。 (4)有限元仿真結(jié)果顯示刀尖刃前區(qū)的應力最為集中和復雜,該應力隨著切削速度的增大而增大,說明刀尖是最易磨損的部位。仿真預測的切削溫度場的分布和切屑的成形過程與金屬切削理論吻合,預測的主切削力與試驗結(jié)果的最大誤差為8.3%,最小誤差為5.1%。 (5)切削試驗后,兩種涂層刀具的前刀面和后刀面均有不同程度的磨損。TiN涂層刀具的主要磨損形態(tài)和磨損機理是前刀面的月牙洼磨損和主后刀面的粘結(jié)磨損、磨粒磨損,其中前刀面的月牙洼磨損較為嚴重,涂層有明顯剝落,主后刀面有較深的磨粒劃痕,刀尖部分沒有崩刃,但磨鈍現(xiàn)象嚴重。TiAlN涂層刀具的主要磨損形態(tài)和磨損機理是切削刃的破損和刀尖的微崩刃,并伴隨有擴散磨損和氧化磨損。 (6)涂層齒輪的傳動效率比未涂層齒輪能更早地進入穩(wěn)定階段,并且其傳動效率比未涂層齒輪增加約1.1%～4.2%,TiAlN涂層齒輪比TiN涂層齒輪具有更好的耐磨性能。

【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TG174.453
【目錄】：

【參考文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 劉愛華;PVD氮化物涂層的高溫摩擦磨損特性及機理研究[D];山東大學;2012年

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張西奎,王成國,王海慶,陳海燕;碳纖維含量對改性酚醛摩阻材料性能的影響[J];工程塑料應用;2003年04期

2 丁華東,傅蘇黎,朱有利,王海軍;自潤滑滑動摩擦系數(shù)研究[J];兵器材料科學與工程;2001年04期

3 康進興,趙文軫;Cu基、Ni基噴焊層材料的漿體沖蝕性能研究[J];兵器材料科學與工程;2002年01期

4 胡金鎖,郝敬敏,李治源,王瑩;激光共晶化滲硼層磨粒磨損試驗研究[J];兵器材料科學與工程;2002年01期

5 譚兵,趙寶榮,樊建勛,高平;釬焊溫度對WC“金屬布”釬焊耐磨層性能研究[J];兵器材料科學與工程;2003年01期

6 杜曉東,丁厚福,宣天鵬;稀土對CrB價電子結(jié)構(gòu)的影響[J];兵器材料科學與工程;2004年05期

7 郭亮,丁厚福,杜曉東,嚴小沖;低碳高合金鋼和高錳鋼沖擊腐蝕磨損特性研究[J];兵器材料科學與工程;2005年02期

8 謝俊峰;朱有利;黃元林;張樹祥;;某重型車輛側(cè)減速器齒輪接觸疲勞失效分析[J];兵器材料科學與工程;2009年06期

9 王琍,張汝忻,劉玉文,鄒家祥;API圓螺紋套管接頭上卸扣力學性能實驗研究[J];寶鋼技術;2000年04期

10 馬志宏,蘇興榮;砂塵環(huán)境對軍用裝備磨損和腐蝕的影響[J];兵工學報;2005年04期