高速钢表面TiSiN基刀具涂层的制备及性能研究

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随着制造业快速的发展以及难加工材料的出现,传统刀具的性能已无法满足当下制造业的需求,因此对刀具的性能提出了更高的要求,而表面涂层技术则能够有效地改善刀具的性能。TiSiN基涂层作为刀具保护层的重要材料之一,因其良好的力学性能以及耐磨性能等特性被广泛应用于刀具切削行业。然而,在切削过程中,温度、结构以及被加工材料的类型都会引起刀具涂层摩擦学性能的改变。因此,有必要进一步研究温度、结构以及被加工材料的种类对刀具涂层摩擦学性能的影响,这对于涂层在刀具切削领域的应用具有十分重要的意义。本文具体的研究内容及结论如下:(1)采用多弧离子镀技术在高速钢表面分别制备了TiSiN、CrAlN/TiSiN双层和CrAlN/TiSiN多层涂层,并对比研究了它们的结构性能及力学性能。结果表明:CrAlN/TiSiN多层涂层比其它涂层具有更致密的微观结构、更低的粗糙度及更强的结合性能。有限元分析中表明多层结构可以降低涂层的剪应力来减少涂层分层剥落。(2)研究了三种涂层在300℃、500℃处理后的结构性能、力学性能以及在室温(Rt)、300℃和500℃时的摩擦学性能。结果表明,在300℃、500℃下,CrAlN/TiSiN多层涂层比其它涂层具有更优异的结构性能以及力学性能。在500℃时,三种涂层均表现出稳定的摩擦系数,这主要是磨痕表面生成的Ti O2氧化物起到了润滑的作用。与其它涂层相比,CrAlN/TiSiN多层涂层在500℃时表现更优异的耐磨性,这与涂层磨痕表面生成具有耐磨性的Al2O3氧化层有关。(3)研究了性能最优的CrAlN/TiSiN多层涂层与Al合金、GCr15球之间的摩擦学性能,并采用有限元法分析了摩擦界面应力变化情况。结果表明:在150℃后,Al合金球与涂层摩擦时,其摩擦系数呈现出不稳定的趋势,涂层产生了负的磨损率;GCr15球与涂层摩擦时,其摩擦系数呈现出平稳的下降趋势,涂层的磨损率均为正值。Al合金球表面产生了较深的犁痕,这主要是摩擦过程中生成的硬质材料划伤了球表面;对应涂层产生了严重的粘着磨损,这与Al合金球硬度的下降有关。GCr15球和对应涂层均表现出光滑的磨痕表面,这是由于磨痕表面生成的Fe2O3氧化物起到了抛光的作用。有限元分析表明了Al合金球对应涂层相对于GCr15球对应涂层所产生的应力较低,其可以减小对涂层的损伤。
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