使用环境介质对镀层设计及性能影响探究

发布时间：2017-09-04 12:25

  本文关键词：使用环境介质对镀层设计及性能影响探究

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【摘要】：PVD镀层由于具有特殊的性能如高硬度、耐磨减磨、氧化温度高、防腐蚀等，可大大改善材料的表面性能。而镀膜后的工件、零件在使用时总会与周边的环境介质相接触。研究环境对镀层使用性能的影响，研究镀层在使用环境下的失效形式，可对镀层设计时考虑如何避免薄膜失效提供理论依据和方向。 本文采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀膜技术在H13钢基体上沉积TiAlN单一镀层，Ti/TiAlN多层复合涂层，设计实验，模拟铝压铸模具在生产中的实际情况。分别用光学显微镜和Hitachi S-4800场发射扫描电子显微镜(SEM)从表面和截面观测镀层失效形貌并做能谱分析，研究所制备不同涂层在铝液中加热的热疲劳特点及热疲劳失效机理；通过观察镀层在高温铝液中长时间侵蚀后对表面、截面形貌变化和成分分析等途径，探讨硬质镀层在高温铝液中的浸蚀失效机理；本文亦在W6Mo5Cr4V2高速钢基体表面沉积不同体系薄膜，研究薄膜与铝合金之间摩擦磨损特性，并探讨薄膜与铝合金为摩擦副时薄膜磨擦学失效机理。主要结论有： 1、铝液能对H13钢发生较强的腐蚀，使其表面凹凸不平。表面镀覆单一TiAlN薄膜或Ti/TiAlN多层膜都在一定程度上能阻止铝液的浸蚀。Ti/TiAlN多层膜表现更佳。完整的Ti/TiAlN多层复合涂层具有较好的高温抗氧化性，能有效的保持H13钢基体未产生裂纹区域表面的平整。除热交变应力外,铝液腐蚀与高温氧化的共同作用,是铝液中镀层热疲劳失效的重要特点。 2、致密的TiAlN镀层在铝液中具有良好的稳定性，不与铝液发生反应，对基体具有一定保护的作用。镀层未覆盖的边缘区域和缺陷部位是高温铝液侵入镀层的主要通道。导致镀层失效并不是由于镀层直接与铝液反应，而是由于铝液与基体生成的反应物的作用。本实验中硬质镀层的失效过程可分为三个阶段，即铝液渗入阶段，铝液腐蚀阶段，镀层断裂剥落阶段。这三个阶段循环反复进行，使镀层大面积剥落而失效。 3、6542高速钢试样、TiN、TiAlN、CrN、CrMoN和W:a-C薄膜对磨铝合金的摩擦系数在0.3~0.6之间。具有自润滑作用的W:a-C薄膜能有效降低与铝合金对磨时的摩擦系数和防止铝合金粘着。粘着量仅为6542高速钢粘着量的4.6%。镀层与铝合金对磨时，焊合作用易使镀层产生粘着而剥落失效。粘着使得对膜基结合提出了更高的要求。
【关键词】：PVD镀层 浸蚀 热疲劳 摩擦磨损 失效机理
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-27
• 1.1 镀层在使用条件下与环境介质的交互作用10-11
• 1.2 压铸模具及其失效形式11-14
• 1.2.1 压铸模具简介11
• 1.2.2 压铸模具的热疲劳失效11-12
• 1.2.3 压铸模具的焊合冲刷失效12-13
• 1.2.4 压铸模具的侵蚀热熔损失效13-14
• 1.3 切削刀具及切削难题14-16
• 1.4 表面镀层在刀模具上的应用现状16-20
• 1.4.1 刀具涂层16-19
• 1.4.2 铝压铸模具涂层19-20
• 1.5 PVD 薄膜技术20-21
• 1.6 本文研究内容和意义21-23
• 参考文献23-27
• 第二章 实验材料及方法27-34
• 2.1 实验材料27-28
• 2.2 镀膜设备及工艺28-31
• 2.2.1 实验设备28-30
• 2.2.2 镀膜工艺30-31
• 2.3 检测设备及方法31-34
• 2.3.1 镀层形貌及成分检测31
• 2.3.2 物相分析31-32
• 2.3.3 膜厚的测定32
• 2.3.4 结合力测试32
• 2.3.5 显微硬度测试32
• 2.3.6 试样热疲劳及耐腐蚀实验32-33
• 2.3.7 摩擦特性测试33-34
• 第三章 不同表面镀层铝液中的耐腐蚀及热疲劳性能研究34-44
• 3.1 概述34
• 3.2 实验材料及方法34-35
• 3.3 实验结果与分析35-42
• 3.3.1 镀层的耐铝液腐蚀性能35-37
• 3.3.2 镀层的热疲劳性能37-41
• 3.3.2.1 热疲劳裂纹37-40
• 3.3.2.2 热疲劳后结合强度40-41
• 3.3.3 热疲劳机理分析41-42
• 3.4 本章结论42-43
• 参考文献43-44
• 第四章 高温铝液中 TiAlN 硬镀层失效机理研究44-54
• 4.1 概述44
• 4.2 实验材料与方法44-45
• 4.3 实验结果与分析45-51
• 4.3.1 镀层失效形貌观察45-48
• 4.3.2 能谱分析48-49
• 4.3.3 镀层的失效机理讨论49-51
• 4.4 本章结论51-52
• 参考文献52-54
• 第五章 不同镀层与铝合金间的摩擦磨损研究54-64
• 5.1 引言54
• 5.2 粘着磨损及机理分析54-56
• 5.2.1 粘着磨损类型54-55
• 5.2.2 磨损原理55-56
• 5.3 实验材料及方法56
• 5.4 实验结果与分析56-62
• 5.4.1 TiN, TiAlN，CrN, CrMoN，W:a-C 薄膜的基本性能56-57
• 5.4.2 镀层的摩擦系数及粘着增重57-58
• 5.4.3 铝在薄膜表面的粘着行为58-59
• 5.4.4 铝球被磨后形貌59
• 5.4.5 摩擦学机理59-62
• 5.5 本章结论62-63
• 参考文献63-64
• 第六章 结论64-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士期间发表的论文66

【参考文献】

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本文编号：791546