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用在工業(yè)領域。刀具鋼在切削加工其他材料時,與切削材料間的相互作用會導致高速鋼升溫、軟化、磨損。為進一步提高高速鋼的使用壽命,本課題采用多弧離子鍍技術在W18Cr4V表面沉積TiAlN復合涂層,并進一步探索改性層的摩擦學性能。雖然TiAlN涂層本身使用性能優(yōu)良,但由于與W18Cr4V基體結合力較低,很難直接應用于工業(yè)生產(chǎn)當中。本課題通過采用ABAQUS有限元模擬軟件以計算Y向正應力及剪切應力的方式先計算出TiAlN復合涂層的最佳總厚度為1~4μm,再對四種TiAlN涂層結構設計方案的應力分布情況進行分析對比,算得基體/Ti/(TiAl/TiAlN)方案和基體/Ti/(TiAl/TiAlN)_2方案的內(nèi)應力最小。本課題還對TiAlN涂層的各項工藝參數(shù)進行了初步的探索,所得最佳工藝參數(shù)為:陰極弧流Ti-60A/Al-80A,N_2分壓0.5Pa,負偏壓/占空比150V/80%,鍍膜溫度350~400℃,沉積時間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,本課題還對四種涂層結構設計方案進行了經(jīng)劃痕實驗和熱震實驗驗證,在最佳工藝參數(shù)下基體/Ti/(TiAl/TiAlN)方案的結合力為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驗驗證了四種涂層結構設計方案的摩擦學性能。結果顯示基體/Ti/(TiAl/TiAlN)_2方案的耐磨性最好,在不同載荷和對磨副滑速下其摩擦系數(shù)均保持在0.2左右,波動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。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【部分圖文】：

W18Cr4V 表面多弧離子鍍 TiAlN 復合涂層的結構設計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，是一種強度、硬度、耐磨性、耐熱性俱佳的常見工具鋼，由美國的 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)部組織結構松散，晶粒較大，碳化物分布。基于以上組織特點，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構示意圖1.4.2 多弧離子鍍的特點多弧離子鍍技術具有如下技術特點：（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，也可同時采用多個靶材，膜層成分控制更靈活；（3）內(nèi)置轉架，膜層更加均勻；（4）金屬離化率達到 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，強度高耐磨性好。1.4.3 多弧離子鍍的應用自 20 世紀 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域得到了充分的應用。

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本文編號：2826073