TiN气相沉积涂层的摩擦磨损性能研究 ——硬质合金表面磁控溅射离子镀

论文摘要

TiN具有硬度高、熔点高、热稳定性好、优良的耐磨性等优点,本文将TiN涂层镀在硬质合金基体上,并对其力学性能、微观结构、受力分析和摩擦磨损机理进行了深入系统的研究。以YT15和YG6硬质合金为基体和Ti为过渡层,采用磁控溅射离子镀工艺在硬质合金刀具上气相沉积上TiN涂层,并进行了摩擦磨损实验。结果表明: TiN涂层刀具的综合机械性能明显优于未涂层硬质合金刀具。在室温干摩擦条件下对TiN系列涂层硬质合金刀具进行了淬火45#钢-刀片摩擦磨损试验,得出了TiN系列涂层硬质合金刀具的摩擦磨损特性。结果表明:（1）未涂层刀具的摩擦系数和磨损率明显高于涂层刀具的摩擦系数和磨损率,在载荷100N,转速450r/min条件下,未涂层刀具YT15的摩擦系数约为0.42,磨损率为1.4mg/h,而TiN涂层刀具YT15的摩擦系数为0.31,相比降低了25%,磨损率为1.0mg/h,相比降低了30%,TiN涂层刀具有很好的减摩抗磨作用;（2）随着载荷和转速的增加,摩擦系数呈先下降,后上升的趋势;随着载荷的增加,磨损率呈上升趋势;随着转速的增加,磨损率呈下降趋势;（3）沉积工艺相同的情况下,基体为YG6的TiN涂层刀具的磨损率要比基体为YT15的TiN涂层刀具的磨损率低30%左右。通过TiN系列涂层硬质合金刀具摩擦磨损时的SEM照片分析可知: （1）在较小载荷下,涂层摩擦面比较平坦,有较浅的犁沟状磨痕,硬质颗粒脱落形成的凹坑较小;较大载荷下,涂层摩擦面比较粗糙,磨痕为较宽且较深的犁沟,硬质颗粒脱落形成的凹坑较大,成片状脱落;（2）在低速下,涂层摩擦面非常粗糙,有较深的沟状磨痕和大量硬质颗粒脱落后残留的凹坑;在高速下,涂层摩擦面比较光洁,磨痕为较浅的犁沟,硬质颗粒脱落形成的凹坑较少,形成片状脱落的区域也比较少。TiN系列涂层硬质合金刀具与淬火45#钢摩擦时的磨损机理是磨粒磨损和涂层的微剥落。确定了转速、载荷、润滑条件、刀具种类等因素,并对其在不同水平下进行了正交分析试验,确定了硬质合金刀片材料的最佳使用条件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究背景及意义
• 1.3 物理气相沉积技术
• 1.3.1 物理气相沉积分类
• 1.3.1.1 真空蒸发镀
• 1.3.1.2 离子镀
• 1.3.1.3 磁控溅射镀
• 1.3.2 物理气相沉积涂层性能检测及研究
• 1.3.3 物理气相沉积的发展及其前景
• 1.4 材料摩擦磨损的研究现状
• 1.4.1 摩擦磨损的基础理论研究
• 1.4.1.1 摩擦
• 1.4.1.2 磨损
• 1.4.2 耐磨涂层材料摩擦磨损性能的研究
• 1.4.2.1 TiN 涂层
• 1.4.2.2 TiA1N 涂层
• 1.4.2.3 ZrN／TiN 复合涂层
• 1.5 课题主要研究内容
• 第二章 实验方案
• 2.1 涂层刀具的制备
• 2.1.1 基体的选择
• 2.1.2 过渡层的选择
• 2.1.3 涂层工艺
• 2.2 涂层刀具的性能测试
• 2.2.1 维氏硬度的测量
• 2.2.2 涂层厚度的测定
• 2.2.3 涂层表面粗糙度的测定
• 2.3 涂层刀具的性能参数
• 2.4 磨损量的测定
• 2.5 涂层微观形貌分析
• 2.5.1 试样SEM 分析
• 第三章 涂层刀具的摩擦磨损实验
• 3.1 摩擦磨损实验
• 3.1.1 试验设备
• 3.1.2 实验条件及方法
• 3.2 涂层刀具的摩擦特性
• 3.2.1 实验载荷对摩擦系数的影响
• 3.2.2 转速对摩擦系数的影响
• 3.3 涂层刀具的磨损特性
• 3.3.1 实验载荷对磨损率的影响
• 3.3.2 转速对磨损率的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 涂层刀具磨损机理研究
• 4.1 影响涂层刀具摩擦磨损性能的因素
• 4.1.1 力学机械性能对涂层耐摩性的影响
• 4.1.2 微观结构对涂层耐磨性的影响
• 4.2 TiN 涂层刀具磨损形貌及磨损机理
• 4.3 本章小结
• 第五章 涂层刀具使用条件的正交分析研究
• 5.1 实验指标、因素和水平的确定
• 5.1.1 实验指标的确定
• 5.1.2 实验因素和水平的确定
• 5.2 正交表的选择
• 5.3 实验数据的处理和分析
• 5.4 正交因素分析
• 5.4.1 润滑状态
• 5.4.2 磨损载荷
• 5.5 涂层刀具的最佳使用条件
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢