Ti含量对磁控溅射CrTiAlN镀层摩擦磨损及热冲击性能的影响

论文摘要

本文利用磁控溅射技术在高速钢和单晶硅基体上制备了不同Ti含量的CrTiAIN镀层。采用EDS、XRD、SEM及TEM对镀层的化学成分、相组成及组织结构进行了分析；测试了镀层的硬度、韧性、结合强度、多冲抗力等基本力学性能；通过WMM-2型万能摩擦磨损试验机及光学显微镜研究了镀层的室温和热摩擦磨损性能；采用箱式电阻炉在不同温度下考察了镀层的热冲击性能；结合镀层的成分、微观形貌、相组成及力学性能探讨了Ti元素对镀层摩擦磨损和热冲击性能的影响及作用机理。研究结果表明：随着Ti含量的增加,镀层中出现少量的TiN相,并且镀层中的Ti原子会逐渐置换CrN中Cr原子形成（Cr, Ti, Al） N体系；镀层的表面形貌由三棱锥结构逐步转变为胞状结构；柱状结构间的界面也逐渐模糊；当Ti含量为5.13%时,镀层具有较好的力学性能。镀层与45钢常温对磨时,随着Ti含量的增加,其摩擦系数从0.52降至0.37,磨损失重率也逐渐降低,镀层的抗磨损性能增加,磨损机制由粘着磨损向磨粒磨损转换。热磨损时,随Ti含量的增加,镀层的摩擦系数呈减小趋势,磨损失重率先降低后增加,Ti含量为0%的镀层磨损失重率最大,Ti含量为10.05%的镀层具有比Ti含量为0.73%、5.13%镀层更大的磨损失重率。镀层的热磨损机制是粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损共同作用,且随着Ti含量的增加,其磨损机制逐渐以氧化磨损为主。Ti含量增加对镀层的抗热冲击性能也有影响,Ti含量高,热冲时易生成疏松结构的Ti02,可为氧原子的进一步扩散提供通道,降低了镀层的抗热冲击性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 刀具镀层的发展
• 1.2 镀层的摩擦磨损机制及影响因素
• 1.2.1 镀层的摩擦磨损机制
• 1.2.2 影响镀层摩擦磨损性能的主要因素
• 1.3 镀层的热冲击失效及影响因素
• 1.4 磁控溅射技术简介
• 1.5 本课题研究的目的与意义
• 1.6 本课题研究的内容
• 2 实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 镀层基体材料
• 2.1.2 摩擦副材料
• 2.2 镀层的制备及工艺
• 2.3 镀层的微观结构检测
• 2.3.1 镀层的成分及相结构检测
• 2.3.2 镀层的表面形貌检测
• 2.4 镀层的基本性能检测
• 2.4.1 镀层的厚度
• 2.4.2 镀层的硬度
• 2.4.3 镀层的韧性
• 2.4.4 镀层的结合强度
• 2.4.5 镀层的多冲抗力
• 2.5 镀层的摩擦磨损性能检测
• 2.6 镀层的热冲击性能检测
• 3 Ti含量对CrTiAlN镀层微观结构及基本性能的影响
• 3.1 CrTiAlN镀层的成分及相结构
• 3.1.1 CrTiAlN镀层的成分
• 3.1.2 CrTiAlN镀层的相结构
• 3.1.3 CrTiAlN镀层的TEM分析
• 3.2 CrTiAlN镀层的形貌
• 3.2.1 CrTiAlN镀层的表面形貌
• 3.2.2 CrTiAlN镀层的截面形貌
• 3.3 Ti含量对CrTiAlN镀层基本力学性能的影响
• 3.3.1 Ti含量对CrTiAlN镀层厚度的影响
• 3.3.2 Ti含量对CrTiAlN镀层硬度的影响
• 3.3.3 Ti含量对CrTiAlN镀层韧性的影响
• 3.3.4 Ti含量对CrTiAlN镀层结合强度的影响
• 3.3.5 Ti含量对镀层抗冲击性能的影响
• 3.4 小结
• 4 Ti含量对CrTiAlN镀层摩擦磨损性能的影响
• 4.1 镀层与45钢对磨的室温摩擦磨损性能
• 4.1.1 CrTiAlN镀层与45钢的室温摩擦性能
• 4.1.2 CrTiAlN镀层与45钢的室温磨损性能
• 4.2 CrTiAlN镀层与45钢对磨的热摩擦磨损性能
• 4.2.1 CrTiAlN镀层与45钢的热摩擦性能
• 4.2.2 CrTiAlN镀层与45钢的热磨损性能
• 4.3 小结
• 5 Ti含量对CrTiAlN镀层抗热冲击性能的影响
• 5.1 800℃时CrTiAlN镀层的热冲击性能
• 5.1.1 800℃时CrTiAlN镀层的循环氧化曲线分析
• 5.1.2 800℃时不同CrTiAlN镀层热冲击后的表面形貌
• 5.1.3 800℃时CrTiAlN镀层的热冲击失效分析
• 5.2 350℃时CrTiAlN镀层的热冲击性能
• 5.2.1 350℃时CrTiAlN镀层的热冲击氧化动力学曲线分析
• 5.2.2 350℃时CrTiAlN镀层热冲击后的表面形貌
• 5.2.3 350℃时CrTiAlN镀层热冲击前后的相结构分析
• 5.2.4 350℃时CrTiAlN镀层的热冲击失效分析
• 5.3 Ti含量对CrTiAlN镀层热冲击性能的影响分析
• 5.4 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文