W18Cr4V具有高硬度、高耐磨性、良好的紅硬性和彈塑性,是工業(yè)上最常用到的高速鋼之一,常作為刀具鋼和冷作模具鋼應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。刀具鋼在切削加工其他材料時(shí),與切削材料間的相互作用會(huì)導(dǎo)致高速鋼升溫、軟化、磨損。為進(jìn)一步提高高速鋼的使用壽命,本課題采用多弧離子鍍技術(shù)在W18Cr4V表面沉積TiAlN復(fù)合涂層,并進(jìn)一步探索改性層的摩擦學(xué)性能。雖然TiAlN涂層本身使用性能優(yōu)良,但由于與W18Cr4V基體結(jié)合力較低,很難直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。本課題通過采用ABAQUS有限元模擬軟件以計(jì)算Y向正應(yīng)力及剪切應(yīng)力的方式先計(jì)算出TiAlN復(fù)合涂層的最佳總厚度為1~4μm,再對(duì)四種TiAlN涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析對(duì)比,算得基體/Ti/(TiAl/TiAlN)方案和基體/Ti/(TiAl/TiAlN)_2方案的內(nèi)應(yīng)力最小。本課題還對(duì)TiAlN涂層的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行了初步的探索,所得最佳工藝參數(shù)為:陰極弧流Ti-60A/Al-80A,N_2分壓0.5Pa,負(fù)偏壓/占空比150V/80%,鍍膜溫度350~400℃,沉積時(shí)間90min。最佳工藝參數(shù)下的TiAlN涂層約厚2.2μm,粗糙度0.102,顯微硬度HV_(0.1)1181.2,納米硬度34.5GPa,主要由TiAlN相組成并伴有少量TiN和AlN相,致密均勻無缺陷存在。除工藝探索外,本課題還對(duì)四種涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了經(jīng)劃痕實(shí)驗(yàn)和熱震實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在最佳工藝參數(shù)下基體/Ti/(TiAl/TiAlN)方案的結(jié)合力為31N,基體/Ti/(TiAl/TiAlN)方案為33N;經(jīng)截面SEM觀察可得基體/Ti/(TiAl/TiAlN)方案的厚度約為2.8μm,基體/Ti/(TiAl/TiAlN)_2方案約為2.1μm。本課題通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了四種涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的摩擦學(xué)性能。結(jié)果顯示基體/Ti/(TiAl/TiAlN)_2方案的耐磨性最好,在不同載荷和對(duì)磨副滑速下其摩擦系數(shù)均保持在0.2左右,波動(dòng)較小且磨損失重最小,由磨痕SEM圖分析可知磨痕主要以涂層表面的劃痕為主,涂層無剝落現(xiàn)象。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【部分圖文】：

W18Cr4V 表面多弧離子鍍 TiAlN 復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及摩擦磨損性能的研究第一章 緒論1.1 高速鋼高速鋼（High Speed Steel, HSS）又稱為高速工具鋼、鋒鋼、白鋼，是一種強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐熱性俱佳的常見工具鋼，由美國(guó)的 F.W.Taylor 和 M.White 于 1898 年創(chuàng)制[1,2]。高速鋼是高合金萊氏體鋼，除 C≥0.6%，Cr =3%~6% ，至少含有 W、Mo、V 中的兩種，且W+Mo+V≥7% ( GB/T9943-2008 規(guī)定 W+1.8 Mo≥6.5% )，經(jīng)熱處理后使用[3-5]。高速鋼分類如圖 1.1。

W18Cr4V 廣泛用于鉆頭、鉸刀、絲錐、銑刀、齒輪刀具Cr4V 的熱處理工藝，導(dǎo)致刀具損壞的原因有很多，但主要原因還是鍛造與 作為高 C 和 Cr 含量的合金元素鋼，影響其服役壽命重8Cr4V 鑄態(tài)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)松散，晶粒較大，碳化物分布。基于以上組織特點(diǎn)，W18Cr4V 鑄錠不能直接用于制造 W18Cr4V 鑄件的整體性能、去除氣孔、縮松、縮孔、裂紋須加入鍛造工藝。鍛造工藝的加入不僅可以去除宏觀缺粒，同時(shí)鍛造可以擊碎組織內(nèi)部較為粗大的柱狀晶共晶粒度，并使其均勻分布，經(jīng)過鍛造的 W18Cr4V 鑄件內(nèi)得到大幅度提高[12]。足刀具鋼的工作要求，提高 W18Cr4V 的硬度、韌性紅的熱處理工藝中還需要加入淬火和回火等工藝。W18Cr4預(yù)熱-退火-淬火-回火，具體流程如圖 1.2 所示[13]。

圖 1.3 多弧離子鍍靶材與腔室結(jié)構(gòu)示意圖1.4.2 多弧離子鍍的特點(diǎn)多弧離子鍍技術(shù)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：（1）陰極金屬靶材無固定位置，工件位置更靈活；（2）金屬靶材可由多種金屬組成，也可同時(shí)采用多個(gè)靶材，膜層成分控制更靈活；（3）內(nèi)置轉(zhuǎn)架，膜層更加均勻；（4）金屬離化率達(dá)到 80%，鍍膜速率高；（5）一弧多用，電弧既可用于靶材離化也可進(jìn)行離子源清洗；（6）沉積速度快，繞鍍性好；（7）金屬粒子入射能量高，膜層致密均勻，強(qiáng)度高耐磨性好。1.4.3 多弧離子鍍的應(yīng)用自 20 世紀(jì) 80 年代投入工業(yè)生產(chǎn)以來，多弧離子鍍以在零部件加工領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2826073