W18Cr4V表面多弧离子镀TiAlN复合涂层的结构设计及摩擦磨损性能的研究

发布时间：2020-09-24 18:03

　　 W18Cr4V具有高硬度、高耐磨性、良好的红硬性和弹塑性,是工业上最常用到的高速钢之一,常作为刀具钢和冷作模具钢应用在工业领域。刀具钢在切削加工其他材料时,与切削材料间的相互作用会导致高速钢升温、软化、磨损。为进一步提高高速钢的使用寿命,本课题采用多弧离子镀技术在W18Cr4V表面沉积TiAlN复合涂层,并进一步探索改性层的摩擦学性能。虽然TiAlN涂层本身使用性能优良,但由于与W18Cr4V基体结合力较低,很难直接应用于工业生产当中。本课题通过采用ABAQUS有限元模拟软件以计算Y向正应力及剪切应力的方式先计算出TiAlN复合涂层的最佳总厚度为1~4μm,再对四种TiAlN涂层结构设计方案的应力分布情况进行分析对比,算得基体/Ti/(TiAl/TiAlN)方案和基体/Ti/(TiAl/TiAlN)_2方案的内应力最小。本课题还对TiAlN涂层的各项工艺参数进行了初步的探索,所得最佳工艺参数为:阴极弧流Ti-60A/Al-80A,N_2分压0.5Pa,负偏压/占空比150V/80%,镀膜温度350~400℃,沉积时间90min。最佳工艺参数下的TiAlN涂层约厚2.2μm,粗糙度0.102,显微硬度HV_(0.1)1181.2,纳米硬度34.5GPa,主要由TiAlN相组成并伴有少量TiN和AlN相,致密均匀无缺陷存在。除工艺探索外,本课题还对四种涂层结构设计方案进行了经划痕实验和热震实验验证,在最佳工艺参数下基体/Ti/(TiAl/TiAlN)方案的结合力为31N,基体/Ti/(TiAl/TiAlN)方案为33N;经截面SEM观察可得基体/Ti/(TiAl/TiAlN)方案的厚度约为2.8μm,基体/Ti/(TiAl/TiAlN)_2方案约为2.1μm。本课题通过摩擦磨损实验验证了四种涂层结构设计方案的摩擦学性能。结果显示基体/Ti/(TiAl/TiAlN)_2方案的耐磨性最好,在不同载荷和对磨副滑速下其摩擦系数均保持在0.2左右,波动较小且磨损失重最小,由磨痕SEM图分析可知磨痕主要以涂层表面的划痕为主,涂层无剥落现象。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

高速钢,冷挤压模具,工艺性能,切削刃

W18Cr4V 表面多弧离子镀 TiAlN 复合涂层的结构设计及摩擦磨损性能的研究第一章绪论1.1 高速钢高速钢（High Speed Steel, HSS）又称为高速工具钢、锋钢、白钢，是一种强度、硬度、耐磨性、耐热性俱佳的常见工具钢，由美国的 F.W.Taylor 和 M.White 于 1898 年创制[1,2]。高速钢是高合金莱氏体钢，除 C≥0.6%，Cr =3%~6% ，至少含有 W、Mo、V 中的两种，且W+Mo+V≥7% ( GB/T9943-2008 规定 W+1.8 Mo≥6.5% )，经热处理后使用[3-5]。高速钢分类如图 1.1。

流程图,热处理工艺,流程图

W18Cr4V 广泛用于钻头、铰刀、丝锥、铣刀、齿轮刀具Cr4V 的热处理工艺，导致刀具损坏的原因有很多，但主要原因还是锻造与作为高 C 和 Cr 含量的合金元素钢，影响其服役寿命重8Cr4V 铸态内部组织结构松散，晶粒较大，碳化物分布。基于以上组织特点，W18Cr4V 铸锭不能直接用于制造 W18Cr4V 铸件的整体性能、去除气孔、缩松、缩孔、裂纹须加入锻造工艺。锻造工艺的加入不仅可以去除宏观缺粒，同时锻造可以击碎组织内部较为粗大的柱状晶共晶粒度，并使其均匀分布，经过锻造的 W18Cr4V 铸件内得到大幅度提高[12]。足刀具钢的工作要求，提高 W18Cr4V 的硬度、韧性红的热处理工艺中还需要加入淬火和回火等工艺。W18Cr4预热-退火-淬火-回火，具体流程如图 1.2 所示[13]。

多弧离子镀,靶材,结构示意图

图 1.3 多弧离子镀靶材与腔室结构示意图1.4.2 多弧离子镀的特点多弧离子镀技术具有如下技术特点：（1）阴极金属靶材无固定位置，工件位置更灵活；（2）金属靶材可由多种金属组成，也可同时采用多个靶材，膜层成分控制更灵活；（3）内置转架，膜层更加均匀；（4）金属离化率达到 80%，镀膜速率高；（5）一弧多用，电弧既可用于靶材离化也可进行离子源清洗；（6）沉积速度快，绕镀性好；（7）金属粒子入射能量高，膜层致密均匀，强度高耐磨性好。1.4.3 多弧离子镀的应用自 20 世纪 80 年代投入工业生产以来，多弧离子镀以在零部件加工领域得到了充分的应用。

【参考文献】