面向难加工材料新型AlCrN基刀具涂层的制备及性能研究
发布时间：2020-10-16 15:47
本文以面向淬硬钢、高温合金等难加工材料的高速加工刀具涂层为研究背景,通过优化工艺参数、掺杂多组元成分以及引入纳米复合多层结构实现对AlCrN涂层力学、高温热稳定性及抗氧化性能的提升。分析测试涂层组成、结构、力学、高温热稳定性和高温摩擦性能。探讨涂层结构演变规律、高温氧化摩擦行为以及涂层性能对涂层刀具切削行为的影响规律。主要研究结论如下:(1)通过改变反应气体流量比(O_2/(O_2+N_2))制备多组元含氧量不同的AlCrN/AlCrON涂层,研究氧含量对AlCrN/AlCrON涂层的组织结构、力学性能及切削性能的影响。并对AlCrN/AlCrON涂层高温下的热稳定性和磨损机制进行了系统的研究。结果表明:随着涂层中氧含量增多,涂层硬度降低,涂层结合力先上升后下降。AlCrN涂层硬度随真空退火温度的上升而降低,950℃时有六方相生成。而AlCrN/AlCrON(O 7.41 at.%)涂层表现出更好的高温红硬性,在1100℃退火后硬度略微上升。在室温、600℃、800℃温度下,涂层平均摩擦系数随氧含量增加先上升后降低再上升。AlCrN/AlCrON(O 0.96 at.%)涂层在室温摩擦时主要呈现磨粒磨损及塑性变形磨损机制,600℃和800℃温度下为高温下的摩擦氧化及粘着磨损。AlCrN/AlCrON(O 7.41 at.%)涂层在室温下主要呈现磨粒磨损及抛光润滑磨损机制,600℃和800℃温度下为磨粒磨损,并伴随局部的粘着磨损。AlCrN/AlCrON涂层刀具的车削性能优于AlCrN涂层刀具,且AlCrON(O 5.28 at.%)涂层刀具的车削寿命最高,为无涂层刀具车削寿命的6倍左右。(2)为提高涂层的强度及切削性能,制备硅氧共掺AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON多层涂层,研究氧含量对AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂层的组织结构和力学性能的影响,并对AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂层高温下的热稳定性以及加工淬硬钢和高温合金时的切削磨损行为进行了系统研究。结果表明:随着涂层中氧含量的增多,硬度基本不变,涂层结合力先增大后减小。常温下摩擦时涂层均发生塑性变形和磨粒磨损。600℃下涂层的摩擦机制为磨粒磨损,并伴随氧化磨损。800℃下涂层的磨损机制主要为粘着磨损以及氧化磨损。950℃以下,涂层保持良好高温热稳定性。1100℃真空退火后涂层发生相分解,硬度下降,但含氧涂层表现更好高温红硬性。在车削淬硬钢实验中,随涂层氧含量增加,涂层刀具的车削寿命先增高后降低。相比于无氧涂层刀具,AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂层刀具表现出更好的抗工件材料粘覆能力。在车削高温合金实验中,切削摩擦氧化基本没有发生,磨损机制主要为机械磨损。(3)为进一步提高Al Cr N基涂层刀具性能,制备AlCrN/TiSiN纳米多层涂层,研究涂层的高温热稳定性和摩擦学性能。结果表明:AlCrN/TiSiN涂层由c-Cr(Al)N与c-Ti(Si)N相构成,涂层硬度为49.7 GPa±0.83 GPa,结合力达到83 N。经800℃和950℃真空退火后涂层微观结构变得更加致密,缺陷密度下降,而涂层相结构、硬度和结合力没有明显变化。摩擦磨损测试结果表明,随着温度由室温增加至400℃,涂层摩擦系数急剧升高,继续增加温度至600~800℃,涂层摩擦系数降低,而涂层磨损率随温度升高先降低后增加。AlCrN/TiSiN涂层在室温下的磨损机制为磨粒磨损及塑性磨损,400℃时处于二体摩擦转三体摩擦的过渡阶段,主要磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损,600~800℃下涂层磨损机制主要为粘着磨损以及氧化磨损。相比于无涂层刀具,其铣削刀具寿命提高了5倍。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：
图 1-1 涂层形成的三个阶段[17]Fig.1.1 Three stages of Coating deposition[17]前市面上常用的 PVD 涂层技术是磁控溅射和电弧离子镀。在磁控溅射时气体（Ar，Ne 等）通入反应炉腔后，在靶材上加上一定负偏压，惰性气放电离子轰击涂层材料，使得靶材粒子溅射出来后在基体上沉积涂层。工作气压和沉积温度比传统溅射沉积低，镀膜质量高，通过多靶溅射能的化学组成成分，工艺相对稳定，是低温沉积领域最合适的方法。最新脉冲磁控溅射（high-power impulse magnetron sputtering，HIPIMS）技术膜工艺的深刻变化。E. Uhlmann[18]等人采用 HIPIMS 制备的 TiAlN 涂层作工具钢时表现出优异的抗磨损性能，直流磁控溅射（DCMS）制备的具在加工热处理工具钢时表现出更好的材料去除率。
图 1-1 涂层形成的三个阶段[17]Fig.1.1 Three stages of Coating deposition[17]上常用的 PVD 涂层技术是磁控溅射和电弧离子镀。在磁控Ar，Ne 等）通入反应炉腔后，在靶材上加上一定负偏压，子轰击涂层材料，使得靶材粒子溅射出来后在基体上沉积压和沉积温度比传统溅射沉积低，镀膜质量高，通过多靶组成成分，工艺相对稳定，是低温沉积领域最合适的方法控溅射（high-power impulse magnetron sputtering，HIPIM的深刻变化。E. Uhlmann[18]等人采用 HIPIMS 制备的 TiA钢时表现出优异的抗磨损性能，直流磁控溅射（DCMS）工热处理工具钢时表现出更好的材料去除率。
第一章 绪论所示，电弧离子镀工艺在工作时引弧电极与靶材阴极间加，靶材阴极和真空腔体阳极间的弧光放电产生高浓度的金产生弧斑，在磁场的作用下大面积的靶材被蒸发，大量的出来，在电磁场力的作用下迁移到基体成膜。电弧离子镀的技术。相比于其他镀膜技术，其具有高蒸发率、高离子应相对迟钝等优点，因此采用电弧离子镀制备的涂层膜基，涂层致密。但是，电弧离子镀技术相对于磁控溅制备出的涂层应力大，表面存在大颗粒。因此不适用于薄膜。但是由于电弧离子镀技术的高离化率、电弧斑点可的优势，成为当今工业化中最常用的 PVD 技术。
【参考文献】
本文编号：2843456
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：
图 1-1 涂层形成的三个阶段[17]Fig.1.1 Three stages of Coating deposition[17]前市面上常用的 PVD 涂层技术是磁控溅射和电弧离子镀。在磁控溅射时气体（Ar，Ne 等）通入反应炉腔后，在靶材上加上一定负偏压，惰性气放电离子轰击涂层材料，使得靶材粒子溅射出来后在基体上沉积涂层。工作气压和沉积温度比传统溅射沉积低，镀膜质量高，通过多靶溅射能的化学组成成分，工艺相对稳定，是低温沉积领域最合适的方法。最新脉冲磁控溅射（high-power impulse magnetron sputtering，HIPIMS）技术膜工艺的深刻变化。E. Uhlmann[18]等人采用 HIPIMS 制备的 TiAlN 涂层作工具钢时表现出优异的抗磨损性能，直流磁控溅射（DCMS）制备的具在加工热处理工具钢时表现出更好的材料去除率。
图 1-1 涂层形成的三个阶段[17]Fig.1.1 Three stages of Coating deposition[17]上常用的 PVD 涂层技术是磁控溅射和电弧离子镀。在磁控Ar，Ne 等）通入反应炉腔后，在靶材上加上一定负偏压，子轰击涂层材料，使得靶材粒子溅射出来后在基体上沉积压和沉积温度比传统溅射沉积低，镀膜质量高，通过多靶组成成分，工艺相对稳定，是低温沉积领域最合适的方法控溅射（high-power impulse magnetron sputtering，HIPIM的深刻变化。E. Uhlmann[18]等人采用 HIPIMS 制备的 TiA钢时表现出优异的抗磨损性能，直流磁控溅射（DCMS）工热处理工具钢时表现出更好的材料去除率。
第一章 绪论所示，电弧离子镀工艺在工作时引弧电极与靶材阴极间加，靶材阴极和真空腔体阳极间的弧光放电产生高浓度的金产生弧斑，在磁场的作用下大面积的靶材被蒸发，大量的出来，在电磁场力的作用下迁移到基体成膜。电弧离子镀的技术。相比于其他镀膜技术，其具有高蒸发率、高离子应相对迟钝等优点，因此采用电弧离子镀制备的涂层膜基，涂层致密。但是，电弧离子镀技术相对于磁控溅制备出的涂层应力大，表面存在大颗粒。因此不适用于薄膜。但是由于电弧离子镀技术的高离化率、电弧斑点可的优势，成为当今工业化中最常用的 PVD 技术。
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 李楠楠;康嘉杰;王海斗;董天顺;许中林;李国禄;;喷涂功率对NiCr-Cr_3C_2涂层表面自由能及其摩擦性能的影响[J];机械工程学报;2015年23期
2 赵海波;国内外切削刀具涂层技术发展综述[J];工具技术;2002年02期
本文编号：2843456
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