本文以面向淬硬鋼、高溫合金等難加工材料的高速加工刀具涂層為研究背景,通過優(yōu)化工藝參數(shù)、摻雜多組元成分以及引入納米復(fù)合多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對AlCrN涂層力學(xué)、高溫?zé)岱�(wěn)定性及抗氧化性能的提升。分析測試涂層組成、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、高溫?zé)岱�(wěn)定性和高溫摩擦性能。探討涂層結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、高溫氧化摩擦行為以及涂層性能對涂層刀具切削行為的影響規(guī)律。主要研究結(jié)論如下:(1)通過改變反應(yīng)氣體流量比(O_2/(O_2+N_2))制備多組元含氧量不同的AlCrN/AlCrON涂層,研究氧含量對AlCrN/AlCrON涂層的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及切削性能的影響。并對AlCrN/AlCrON涂層高溫下的熱穩(wěn)定性和磨損機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明:隨著涂層中氧含量增多,涂層硬度降低,涂層結(jié)合力先上升后下降。AlCrN涂層硬度隨真空退火溫度的上升而降低,950℃時有六方相生成。而AlCrN/AlCrON(O 7.41 at.%)涂層表現(xiàn)出更好的高溫紅硬性,在1100℃退火后硬度略微上升。在室溫、600℃、800℃溫度下,涂層平均摩擦系數(shù)隨氧含量增加先上升后降低再上升。AlCrN/AlCrON(O 0.96 at.%)涂層在室溫摩擦?xí)r主要呈現(xiàn)磨粒磨損及塑性變形磨損機(jī)制,600℃和800℃溫度下為高溫下的摩擦氧化及粘著磨損。AlCrN/AlCrON(O 7.41 at.%)涂層在室溫下主要呈現(xiàn)磨粒磨損及拋光潤滑磨損機(jī)制,600℃和800℃溫度下為磨粒磨損,并伴隨局部的粘著磨損。AlCrN/AlCrON涂層刀具的車削性能優(yōu)于AlCrN涂層刀具,且AlCrON(O 5.28 at.%)涂層刀具的車削壽命最高,為無涂層刀具車削壽命的6倍左右。(2)為提高涂層的強(qiáng)度及切削性能,制備硅氧共摻AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON多層涂層,研究氧含量對AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂層的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響,并對AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂層高溫下的熱穩(wěn)定性以及加工淬硬鋼和高溫合金時的切削磨損行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明:隨著涂層中氧含量的增多,硬度基本不變,涂層結(jié)合力先增大后減小。常溫下摩擦?xí)r涂層均發(fā)生塑性變形和磨粒磨損。600℃下涂層的摩擦機(jī)制為磨粒磨損,并伴隨氧化磨損。800℃下涂層的磨損機(jī)制主要為粘著磨損以及氧化磨損。950℃以下,涂層保持良好高溫?zé)岱�(wěn)定性。1100℃真空退火后涂層發(fā)生相分解,硬度下降,但含氧涂層表現(xiàn)更好高溫紅硬性。在車削淬硬鋼實(shí)驗(yàn)中,隨涂層氧含量增加,涂層刀具的車削壽命先增高后降低。相比于無氧涂層刀具,AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂層刀具表現(xiàn)出更好的抗工件材料粘覆能力。在車削高溫合金實(shí)驗(yàn)中,切削摩擦氧化基本沒有發(fā)生,磨損機(jī)制主要為機(jī)械磨損。(3)為進(jìn)一步提高Al Cr N基涂層刀具性能,制備AlCrN/TiSiN納米多層涂層,研究涂層的高溫?zé)岱�(wěn)定性和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明:AlCrN/TiSiN涂層由c-Cr(Al)N與c-Ti(Si)N相構(gòu)成,涂層硬度為49.7 GPa±0.83 GPa,結(jié)合力達(dá)到83 N。經(jīng)800℃和950℃真空退火后涂層微觀結(jié)構(gòu)變得更加致密,缺陷密度下降,而涂層相結(jié)構(gòu)、硬度和結(jié)合力沒有明顯變化。摩擦磨損測試結(jié)果表明,隨著溫度由室溫增加至400℃,涂層摩擦系數(shù)急劇升高,繼續(xù)增加溫度至600~800℃,涂層摩擦系數(shù)降低,而涂層磨損率隨溫度升高先降低后增加。AlCrN/TiSiN涂層在室溫下的磨損機(jī)制為磨粒磨損及塑性磨損,400℃時處于二體摩擦轉(zhuǎn)三體摩擦的過渡階段,主要磨損機(jī)制為磨粒磨損和粘著磨損,600~800℃下涂層磨損機(jī)制主要為粘著磨損以及氧化磨損。相比于無涂層刀具,其銑削刀具壽命提高了5倍。
【學(xué)位單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【部分圖文】：

圖 1-1 涂層形成的三個階段[17]Fig.1.1 Three stages of Coating deposition[17]前市面上常用的 PVD 涂層技術(shù)是磁控濺射和電弧離子鍍。在磁控濺射時氣體（Ar，Ne 等）通入反應(yīng)爐腔后，在靶材上加上一定負(fù)偏壓，惰性氣放電離子轟擊涂層材料，使得靶材粒子濺射出來后在基體上沉積涂層。工作氣壓和沉積溫度比傳統(tǒng)濺射沉積低，鍍膜質(zhì)量高，通過多靶濺射能的化學(xué)組成成分，工藝相對穩(wěn)定，是低溫沉積領(lǐng)域最合適的方法。最新脈沖磁控濺射（high-power impulse magnetron sputtering，HIPIMS）技術(shù)膜工藝的深刻變化。E. Uhlmann[18]等人采用 HIPIMS 制備的 TiAlN 涂層作工具鋼時表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損性能，直流磁控濺射（DCMS）制備的具在加工熱處理工具鋼時表現(xiàn)出更好的材料去除率。

圖 1-1 涂層形成的三個階段[17]Fig.1.1 Three stages of Coating deposition[17]上常用的 PVD 涂層技術(shù)是磁控濺射和電弧離子鍍。在磁控Ar，Ne 等）通入反應(yīng)爐腔后，在靶材上加上一定負(fù)偏壓，子轟擊涂層材料，使得靶材粒子濺射出來后在基體上沉積壓和沉積溫度比傳統(tǒng)濺射沉積低，鍍膜質(zhì)量高，通過多靶組成成分，工藝相對穩(wěn)定，是低溫沉積領(lǐng)域最合適的方法控濺射（high-power impulse magnetron sputtering，HIPIM的深刻變化。E. Uhlmann[18]等人采用 HIPIMS 制備的 TiA鋼時表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損性能，直流磁控濺射（DCMS）工熱處理工具鋼時表現(xiàn)出更好的材料去除率。

第一章 緒論所示，電弧離子鍍工藝在工作時引弧電極與靶材陰極間加，靶材陰極和真空腔體陽極間的弧光放電產(chǎn)生高濃度的金產(chǎn)生弧斑，在磁場的作用下大面積的靶材被蒸發(fā)，大量的出來，在電磁場力的作用下遷移到基體成膜。電弧離子鍍的技術(shù)。相比于其他鍍膜技術(shù)，其具有高蒸發(fā)率、高離子應(yīng)相對遲鈍等優(yōu)點(diǎn)，因此采用電弧離子鍍制備的涂層膜基，涂層致密。但是，電弧離子鍍技術(shù)相對于磁控濺制備出的涂層應(yīng)力大，表面存在大顆粒。因此不適用于薄膜。但是由于電弧離子鍍技術(shù)的高離化率、電弧斑點(diǎn)可的優(yōu)勢，成為當(dāng)今工業(yè)化中最常用的 PVD 技術(shù)。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 李楠楠;康嘉杰;王海斗;董天順;許中林;李國祿;;噴涂功率對NiCr-Cr_3C_2涂層表面自由能及其摩擦性能的影響[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2015年23期

2 趙海波;國內(nèi)外切削刀具涂層技術(shù)發(fā)展綜述[J];工具技術(shù);2002年02期

本文編號：2843456