本文選題：屈服抗力　切入點：VN基涂層　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著現(xiàn)代航空、航天、核電等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,鋁合金、鎳合金、鈦合金等高強度金屬的高速大功率切削對先進(jìn)的刀具涂層材料及技術(shù)提出了迫切而苛刻的要求。在高速、高強度及大功率等切削條件下,切削溫度經(jīng)常升高至700°C,從而刃口與工件不可避免地處于高溫、變溫、氧化等惡劣工況中,傳統(tǒng)涂層難以在寬溫度范圍內(nèi)保持較低的摩擦系數(shù)及磨損率,嚴(yán)重制約著我國金屬加工質(zhì)量的提高和高性能切削機床的發(fā)展。因此,開發(fā)優(yōu)良的寬溫域自潤滑涂層,對推動我國高性能切削刀具及機床的發(fā)展具有重要的理論和實際應(yīng)用價值。本文基于多弧離子鍍技術(shù)研制了VN(氮化釩)基自潤滑復(fù)合涂層,通過數(shù)值方法研究了VN基復(fù)合涂層/基體系統(tǒng)在不同涂層厚度及彈性模量下的屈服規(guī)律,探索了VCN(碳氮化釩)及VN/Ag(氮化釩/銀)復(fù)合涂層在寬溫度范圍內(nèi)的摩擦及磨損特性,并進(jìn)一步揭示了滑動條件對VCN涂層摩擦學(xué)特性的影響機制。建立了VN基復(fù)合涂層與剛性平面微觀接觸的平面應(yīng)變模型,研究了VN基涂層/基體系統(tǒng)壓縮形變的臨界屈服特性,結(jié)果表明:超厚涂層的初始屈服位置位于接觸中心下一定深度處,且深度隨泊松比變化呈單調(diào)增加規(guī)律。推導(dǎo)了超厚VN基復(fù)合涂層初始屈服的臨界條件。對于較薄涂層,研究了VN基涂層/基體系統(tǒng)在不同涂層厚度及彈性模量下的屈服規(guī)律,結(jié)果表明涂層/基體系統(tǒng)的塑性區(qū)或脆性裂紋隨參數(shù)變化可能萌生于涂層、基體內(nèi)或其界面處,增大VN基復(fù)合涂層與基體彈性模量的差值可降低系統(tǒng)的屈服抗力。通過在N2及C2H2氣氛中蒸發(fā)V靶制備了VN和VCN涂層,由結(jié)構(gòu)研究可知C元素在VCN涂層中主要形成sp2C-C及sp3C-C雜化鍵,雜化鍵改變了VCN涂層的形貌、晶面取向及晶粒尺寸,增加了VCN涂層的硬度及彈性模量,然而減小了涂層與基體的結(jié)合力,研究了VN和VCN涂層在25°C、300°C、500°C及700°C下的摩擦學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)雜化鍵在25°C~500°C范圍內(nèi)能夠明顯減小VCN涂層的摩擦系數(shù)及磨損率,然而在700°C下失去效果。研究了N2流量變化對VCN涂層厚度的影響,發(fā)現(xiàn)在-50 V基體偏壓、60sccm C2H2流量、60 A靶電流下,氮氣氣體量為350 sccm基本達(dá)到了涂層合成的反應(yīng)用量,隨后增長未使涂層厚度發(fā)生明顯改變。設(shè)計了L4(23)正交試驗,研究了載荷、溫度及滑動頻率對VCN涂層摩擦磨損特性的影響機理,獲得了VN和VCN涂層適應(yīng)的相對滑動條件。通過在N2環(huán)境中蒸發(fā)V、Ag靶制備了VN-VN/Ag自潤滑復(fù)合涂層,發(fā)現(xiàn)Ag元素在VN晶格中形成了納米晶粒,增大了復(fù)合涂層的表面粗糙度,改變了復(fù)合涂層的擇優(yōu)取向晶面。通過結(jié)合強度和力學(xué)性能評價表明,VN-VN/Ag自潤滑涂層與VN涂層相比具有較高的結(jié)合力,而具有較低的硬度及彈性模量。研究了VN-VN/Ag自潤滑涂層在25°C~700°C之間的摩擦磨損特性,結(jié)果表明金屬Ag提高了復(fù)合涂層在室溫及300°C下的摩擦學(xué)性能,而在500°C及700°C下V2O5、Ag3VO4及Ag VO3等氧化物是涂層產(chǎn)生潤滑作用的關(guān)鍵因素。進(jìn)一步考察了異質(zhì)及過渡界面VN/Ag多層涂層的結(jié)構(gòu)、力學(xué)及寬溫域摩擦磨損特性,結(jié)果表明過渡界面的Ag含量相對異質(zhì)界面的含量值降低48 wt.%,V含量相應(yīng)升高71 wt.%,此外,過渡界面涂層具有較高的承載能力和抗失效性能。通過摩擦學(xué)研究發(fā)現(xiàn)過渡界面涂層在室溫下與異質(zhì)界面涂層相比具有較低的摩擦系數(shù),在300°C下由于摩擦表面Ag貧乏兩種多層涂層具有較高的摩擦系數(shù),在500°C和700°C下,Ag元素加速了向摩擦表面的遷移與擴散,生成了剪切強度較低的釩酸鹽和偏釩酸鹽,因而兩種涂層的摩擦系數(shù)相對較低。
[Abstract]:With the rapid development of modern aviation, aerospace, nuclear power, and other high-tech industries Aluminum Alloy, nickel alloy, high speed and high power cutting titanium alloy high strength metal and proposed the urgent demands on tool coating materials and advanced technology. In high speed, high strength and high power cutting conditions, cutting temperature often increased to 700 DEG C, thereby cutting edge and workpiece inevitably at high temperature, temperature, oxidation and other adverse conditions, the traditional coating is difficult to maintain the low friction coefficient and wear rate in a wide temperature range, which restrict the development of our country to improve the quality of metal processing and high performance cutting machine. Therefore, wide the temperature field of developing excellent self lubrication coatings, has important theoretical and practical value to promote the development of China's high performance cutting tool and machine tool. In this paper, multi arc ion plating technique is developed based on VN (nitrogen vanadium) based self lubrication Sliding composite coating was studied by using numerical method of VN based composite coating / substrate system under different coating thickness and elastic modulus of the yield rule, to explore the VCN (vanadium carbonitride) and VN/Ag (vanadium nitride / Ag) composite coating on friction and wear characteristics of wide temperature range, and further reveals the impact of the mechanism of sliding conditions on the tribological properties of VCN coatings. The plane strain model of VN composite coatings and rigid plane micro contact, the study of VN based coating / substrate system compression deformation critical yield characteristics, the results show that the initial yield of super thick coating is located in contact center at a certain depth, and depth with Poisson change monotonically with the increase law. The critical conditions are super thick VN composite coatings. The initial yield for the thin coating of VN based coating / substrate system under different coating thickness and elastic modulus of the yield. Law, results show that the coating / substrate system of plastic zone or brittle crack along with the change of the parameter matrix in the coating may be adorable born, or at the interface, the difference increases with the increasing of VN based composite coating and matrix elastic modulus can reduce the system yield resistance. Through the evaporation of V target in N2 and C2H2 atmosphere in the synthesis of VN and VCN the research shows that coating structure of C element in VCN coating is mainly formed in sp2C-C and sp3C-C bonded and bonded changed the morphology of VCN coating, crystal orientation and grain size, hardness and elastic modulus of VCN coating increased, but reduced the coating and the substrate bonding force, VN and VCN coatings at 25 DEG C study on the tribological properties of 300 ~ C, 500 ~ C and 700 ~ C, it was found that the friction coefficient of hybrid bond can obviously reduce the VCN coating in 25 ~ C~500 ~ C range and wear rate, but lost the effect at 700 ~ C. The effects of N2 flow rate on the VCN coating thickness. Ring, found in the -50 V 60sccm C2H2 flow, substrate bias voltage, 60 A current, the nitrogen gas volume of 350 SCCM basically reached the synthesis reaction coating amount, then growth does not cause the coating thickness is changed obviously. The design of L4 (23) orthogonal test, studied load, temperature and sliding friction frequency influence mechanism the wear characteristics of VCN coatings obtained relative sliding conditions VN and VCN coating adaptation. Through evaporation in the environment of N2 V, VN-VN/Ag self-lubricating composite coatings Ag target system, Ag elements to form nanoparticles in VN lattice, increases the surface roughness of the composite coatings, changed the crystal orientation the surface composite coating. By combining the evaluation of strength and mechanical properties showed that VN-VN/Ag self lubricating coating and VN coating adhesion compared with high hardness and elastic modulus, and has low. Research on VN-VN/Ag self lubricating coating at 25 DEG C~700 DEG C The friction and wear properties between the metal, results show that Ag improves the tribological properties of the composite coating at room temperature and 300 DEG C, and in 500 ~ C and 700 ~ C V2O5, Ag3VO4 Ag and VO3 oxide is a key factor in coating lubrication. Further study of structural heterogeneity and transition interface VN /Ag multilayer coating the friction and wear properties of mechanics and wide temperature range, results show that the content of Ag transition interface relatively heterogeneous interface value decreased 48 wt.%, V content increased 71 wt.%, in addition, the transition interface coating has high bearing capacity and anti failure performance. Through the study found that the tribological transition interface coating at room temperature with heterogeneous interface coating compared with low friction coefficient, the friction coefficient at 300 ~ C due to friction surface Ag poor two multilayer coating with high, at 500 DEG C and 700 DEG C, Ag elements to accelerate the transfer of the friction surface With the diffusion, the low shear strength vanadate and partial vanadate have been formed, so the friction coefficient of the two coatings is relatively low.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG174.4

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