TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层刀具的干切削性能及磨损机理研究

发布时间：2020-03-28 07:11

【摘要】：硬质涂层是一种能提高材料综合性能较经济、有效的途径。它不仅在常温下具有硬度高、耐磨性好、膜基结合强度大和热膨胀系数低等特点,而且在高温条件下也具有较高的强度,优良的耐腐蚀、耐磨损和抗高温氧化等性能。在硬质合金刀具上沉积硬质涂层材料,能有效增强硬质合金刀具的硬度、耐磨性和抗氧化性能,延长刀具使用寿命。涂层刀具的重要意义在于将刀具材料与超硬涂层的特性结合起来,实现传统刀具的综合改性,能满足现代金属切削加工工艺的需要。本文采用PVD技术在超硬高速钢(W12Mo3Cr4V3N)试片和YT15硬质合金刀具上分别沉积TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层,进行了如下试验研究:(1)采用显微硬度计和划痕仪分别对TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层的显微硬度和膜基结合力进行了测量;(2)在摩擦磨损试验机上对未涂层试片、TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层进行了往复摩擦磨损试验,研究了不同载荷、往复速度和温度条件对涂层摩擦系数的影响,分析了涂层的磨损形貌和磨损机理;(3)采用未涂层刀具、TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层刀具对20CrMo钢进行了干切削试验,研究了不同切削参数对切削力、切削温度和工件表面粗糙度的影响;(4)采用Deform-2D仿真软件对未涂层刀具、TiCN、TiAlN涂层刀具切削过程进行了建模、仿真分析,研究了刀具切削力、切削温度和应力场的分布和变化规律;(5)采用光学显微镜测量TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层刀具后刀面的磨损量VB,并采用扫描电子显微镜(SEM)观察刀具前、后刀面磨损形态,分析了刀具磨损机理。主要研究结果归纳如下:(1)三种涂层的显微硬度和结合强度都较大,显微硬度大小依次为:TiAlCrN涂层TiAlN涂层TiCN涂层未涂层试片;结合力大小依次为:TiCN涂层TiAlCrN涂层TiAlN涂层。摩擦系数试验结果表明:在改变载荷、往复速度和温度条件下,TiAlN涂层摩擦系数最大,其次是TiAlCrN涂层,TiCN涂层最小。TiCN涂层的主要磨损形式为氧化磨损和疲劳磨损,TiAlN涂层的主要磨损形式为磨粒磨损和氧化磨损;TiAlCrN涂层的主要磨损形式为疲劳磨损和磨粒磨损。(2)TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层提高了刀具的切削性能;TiAlCrN涂层刀具的切削性能稍微优于TiAlN涂层刀具,TiAlN涂层刀具的切削性能优于TiCN涂层刀具。仿真结果表明:相同切削参数条件下,未涂层刀具上的切削力、切削温度和刀具应力最大,其次是TiCN涂层刀具,TiAlN涂层刀具最小。TiAlN涂层刀具上的切削温度和切削力小于TiCN涂层刀具,仿真分析与切削试验结果相吻合。(3)与未涂层刀具的耐用度相比,TiAlCrN涂层刀具的耐用度延长了一倍以上,TiAlN涂层延长了约一倍,TiCN涂层刀具延长了约50%。TiAlCrN涂层刀具主要磨损形式为边界磨损和氧化磨损;TiAlN涂层刀具的磨损形式以扩散磨损和氧化磨损为主;TiCN涂层刀具的磨损形式以氧化磨损为主。
【图文】：

试片,高速钢

摩擦磨损特性进行测量与研究，为后续章节涂层刀具的切削性能及刀具磨损机理研究奠定基础。3.1 材料与方法3.1.1 试验材料（1）试片基体：超硬高速钢 W12Mo3Cr4V3N，试样尺寸 24mm×16mm×3mm。首先使用砂纸对试片表面进行除锈处理，然后采用抛光机对表面进行抛光，接着将试片放入无水乙醇溶液中超声波清洗 15min，最后烘干。W12Mo3Cr4V3N 钢主要化学成分如表 3-1 所示。表 3-1 W12Mo3Cr4V3N 化学成分Table 3-1 Chemical constituent of W12Mo3Cr4V3N steel元素 C W Mo Cr V N含量（%） 1.19 11.66 2.95 4.00 2.67 0.075（2）涂层试片：在W12Mo3Cr4V3N高速钢上分别沉积TiCN、TiAlN和TiAlCrN涂层，涂层样品如图 3-1 所示。

电镜图,电镜,维氏硬度计,加载

金刚石正四棱锥体压头，载荷 5行加载，加载结束后卸去载荷后按照维氏硬度计算公式计算21.8544dPHV d 为压痕对角线(mm)。/旋转摩擦磨损试验机对 TiCN、T形式采用往复式，，传感器规格往复长度 5mm。所测量的参数像的方式同步呈现。样品加热为 250℃。型扫描电镜（SEM）观察 TiCN、EDS)分析磨损机理。扫描电子显
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG506

【参考文献】