滚轮表面TiAlSiN涂层制备及失效机理研究
发布时间：2019-11-11 14:21
【摘要】：目的通过对滚轮表面制备超硬纳微米TiAlSiN涂层,提高滚轮的综合工作性能。方法采用阴极电弧离子镀膜技术在滚轮工作面及高速钢试样表面制备超硬纳微米TiAlSiN涂层。通过X射线荧光测量系统测量涂层厚度,采用扫描电子显微镜(SEM)观察涂层表面特征和形貌,采用能谱仪(EDS)对涂层元素的成分进行分析,通过纳米压痕仪及洛氏硬度计对涂层的硬度及膜基结合力进行测定和分析。结果滚轮表面1.97μm厚的TiAlSiN涂层的Si原子数分数为4.21%,其显微硬度为37.69 GPa,涂层与基体的膜基结合力符合VDI-3198工业等级的HF3,呈现出较强的膜基结合力。经生产线上滚压机实际成形加工验证,涂层后滚轮的工作寿命是未涂层滚轮的5倍,滚轮具有强度高、耐磨损、抗氧化、耐腐蚀、粘附性降低等特性,显著改善了磨损、剥落、疲劳裂纹、缠辊、粘滚等现象。结论在滚轮表面制备超硬纳微米TiAlSiN涂层,能显著提高滚轮的综合工作性能。
【图文】：
等研究了TiAlSiN涂层硬质合金刀具切削钛合金的性能，在相同切削条件下，TiAlSiN涂层刀具的寿命约为TiAlN的1.5倍[11-12]。本文在以往研究的基础上，利用现有试验设备，在滚轮表面采用阴极电弧技术制备了Si含量为4.21%的TiAlSiN涂层，解决实际应用上滚轮失效形式多、成本高的问题，并对TiAlSiN硬质涂层对滚轮性能的影响进行研究。1实验1.1试样的制备采用瑞士生产的ICS-04ARCPRO阴极电弧沉积系统，在滚轮及高速钢试片上制备了纳微米TiAlSiN涂层，滚轮及高速钢的主要成分如表1所示。阴极电弧设备及真空炉腔结构如图1所示。装夹滚轮的转炉架采用行星轮结构，基体在涂层制备过程中可以公自传，制备的涂层更加均匀致密。制备TiAlSiN涂层的靶材及其元素成分如表2所示。表1辊轮及高速钢试片的主要成分Tab.1Maincomponentsofrollerwheelandhighspeedsteeltestpieceat.%材料CrMoVSiCW6542高速钢4.151.90.30.86.2HSS4520.30.96图1阴极电弧设备及真空炉腔示意Fig.1Schematicdiagramofcathodearcequipmentandva-cuumfurnacecavity
Ti靶Ti99.8%，Purity67%80%Al33%Si20%在制备TiAlSiN涂层之前，需对基体进行抛光及超声波清洗，清洗时间为30min。清洗完成并烘干后，将基体装入真空炉腔，启动分子泵抽真空，，同时对基体梯度加热升温。待炉腔真空压力为0.6Pa、温度为400℃时，向炉腔中通入Ar气（99.999%），在Ar气环境中调节基体偏压为500V进行等离子刻蚀清洗，清洗时间为40min。刻蚀清洗完成后，通过改变靶材电流、炉腔压力及真空度，在N2氛围中沉积涂层，涂层的制备参数如表3所示，涂层的厚度随沉积时间的延长而增加，涂层后的滚轮及试片如图2所示。表3涂层的制备参数Tab.3PreparationparametersofcoatingTi靶电流/AAlTi靶电流/ATiSi靶电流/A基体偏压/VN2气流量（sccm）沉积温度/℃转速/(rmin1)沉积时间/h180~200160~180120~14080~100180~200420~45036a涂层高速钢试片b涂层滚轮图2涂层后的高速钢试片及涂层滚轮Fig.2Coatedhighspeedsteeltestpieceandcoatedroller:(a)coatedhighspeedsteeltestpiece,(b)coatingroller1.2涂层性能测试采用球磨法测量涂层的厚度，钢球直径为30mm，球磨仪转轴转速为1200r/min，研磨时间为35s。采用球磨仪及高分辨率显微镜（型号为GSX-500）观察球磨形貌。涂层厚度通过KaloMAX软件自动测量，分别测量各试件5个点的厚度，取平均厚度作为涂层的厚度值。利用高分辨率及放大倍数的扫描电子显微镜（Quanta200FEG）观察涂层的表面及断面特征，该扫描电镜配备有能谱仪（Energydispersivespec-trometer，EDS），利用能谱仪分析涂层的微观成分，能谱分析的加速电压为20kV，放大倍数为10000倍。采用美国MTS公司的NanoIndenterXP纳米压痕仪（带Berkovich金刚石压头），运用连续刚度测量方法（CSM）检测涂层的硬度，控制参?
本文编号：2559296
【图文】：
等研究了TiAlSiN涂层硬质合金刀具切削钛合金的性能，在相同切削条件下，TiAlSiN涂层刀具的寿命约为TiAlN的1.5倍[11-12]。本文在以往研究的基础上，利用现有试验设备，在滚轮表面采用阴极电弧技术制备了Si含量为4.21%的TiAlSiN涂层，解决实际应用上滚轮失效形式多、成本高的问题，并对TiAlSiN硬质涂层对滚轮性能的影响进行研究。1实验1.1试样的制备采用瑞士生产的ICS-04ARCPRO阴极电弧沉积系统，在滚轮及高速钢试片上制备了纳微米TiAlSiN涂层，滚轮及高速钢的主要成分如表1所示。阴极电弧设备及真空炉腔结构如图1所示。装夹滚轮的转炉架采用行星轮结构，基体在涂层制备过程中可以公自传，制备的涂层更加均匀致密。制备TiAlSiN涂层的靶材及其元素成分如表2所示。表1辊轮及高速钢试片的主要成分Tab.1Maincomponentsofrollerwheelandhighspeedsteeltestpieceat.%材料CrMoVSiCW6542高速钢4.151.90.30.86.2HSS4520.30.96图1阴极电弧设备及真空炉腔示意Fig.1Schematicdiagramofcathodearcequipmentandva-cuumfurnacecavity
Ti靶Ti99.8%，Purity67%80%Al33%Si20%在制备TiAlSiN涂层之前，需对基体进行抛光及超声波清洗，清洗时间为30min。清洗完成并烘干后，将基体装入真空炉腔，启动分子泵抽真空，，同时对基体梯度加热升温。待炉腔真空压力为0.6Pa、温度为400℃时，向炉腔中通入Ar气（99.999%），在Ar气环境中调节基体偏压为500V进行等离子刻蚀清洗，清洗时间为40min。刻蚀清洗完成后，通过改变靶材电流、炉腔压力及真空度，在N2氛围中沉积涂层，涂层的制备参数如表3所示，涂层的厚度随沉积时间的延长而增加，涂层后的滚轮及试片如图2所示。表3涂层的制备参数Tab.3PreparationparametersofcoatingTi靶电流/AAlTi靶电流/ATiSi靶电流/A基体偏压/VN2气流量（sccm）沉积温度/℃转速/(rmin1)沉积时间/h180~200160~180120~14080~100180~200420~45036a涂层高速钢试片b涂层滚轮图2涂层后的高速钢试片及涂层滚轮Fig.2Coatedhighspeedsteeltestpieceandcoatedroller:(a)coatedhighspeedsteeltestpiece,(b)coatingroller1.2涂层性能测试采用球磨法测量涂层的厚度，钢球直径为30mm，球磨仪转轴转速为1200r/min，研磨时间为35s。采用球磨仪及高分辨率显微镜（型号为GSX-500）观察球磨形貌。涂层厚度通过KaloMAX软件自动测量，分别测量各试件5个点的厚度，取平均厚度作为涂层的厚度值。利用高分辨率及放大倍数的扫描电子显微镜（Quanta200FEG）观察涂层的表面及断面特征，该扫描电镜配备有能谱仪（Energydispersivespec-trometer，EDS），利用能谱仪分析涂层的微观成分，能谱分析的加速电压为20kV，放大倍数为10000倍。采用美国MTS公司的NanoIndenterXP纳米压痕仪（带Berkovich金刚石压头），运用连续刚度测量方法（CSM）检测涂层的硬度，控制参?
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