论文摘要
本文利用中频磁控溅射与多弧离子镀相结合的工艺在硬质合金和高速钢基体上沉积制备出了MoS2／Zr系列“软”涂层刀具，并对涂层刀具的设计理论、涂层结构、制备工艺、物理机械性能、表面形貌和界面结合机制、摩擦磨损特性及切削性能进行了系统深入的研究。建立了基于残余热应力的涂层与基体材料的物理相容性分析模型，深入分析了基体材料的物理性能参数和沉积温度对涂层刀具残余热应力的影响及其分布规律。结果表明：涂层与基体之间热膨胀系数的差异是影响涂层残余热应力大小的主要因素。通过物理化学相容性分析，确定了与MoS2“软”涂层材料相匹配的两种最佳基体材料，分别为YT15硬质合金和M2高速钢。分析了过渡层对涂层残余热应力的影响。结果表明：在YT15基体与MoS2涂层之间添加过渡层后，涂层的残余热应力值均较纯MoS2涂层的残余热应力值显著降低，其中尤以添加Zr过渡层时涂层的残余热应力值最小；而在M2基体与MoS2涂层之间添加Ti、Cr或Zr过渡层后，涂层的残余热应力值反而较纯MoS2涂层的残余热应力值有所增大。因此，应根据不同涂层与基体材料的组合，选择合适的过渡层材料，以达到降低涂层刀具残余热应力的目的。采用中频磁控溅射与多弧离子镀相结合的工艺成功制备了MZ-1（MoS2／Zr+YT15硬质合金）和MZ-2（MoS2／Zr+M2高速钢）两种“软”涂层刀具。考察了前处理工艺对涂层性能的影响。结果表明：采用研磨抛光+超声波清洗的前处理工艺能够改善涂层与基体之间的界面结合状态。研究了制备工艺参数对涂层性能的影响，得出了基体负偏压、靶电流、沉积温度和沉积时间对涂层的硬度、厚度、界面结合力及表面粗糙度等的影响规律，确定了两种涂层刀具的最佳制备工艺参数，即对于MZ-1涂层刀具：基体负偏压-200 V，MoS2靶电压700 V，Zr靶电流60 A，工作气压0．45 Pa，沉积温度200℃，沉积时间120 min；对于MZ-2涂层刀具：沉积温度150℃，其他参数与MZ-1相同。系统地研究了MoS2／Zr“软”涂层刀具的物理机械性能和界面结合机制。结果表明：MZ-1刀具的涂层厚度2．4μm，硬度10．0 GPa，涂层与基体的界面结合力60 N；MZ-2刀具的涂层厚度2．6μm，硬度9．4 GPa，涂层与基体的界面结合力63 N；两种涂层的硬度和与基体之间的结合力均较纯MoS2涂层的硬度和结合力有显著提高。通过对MoS2／Zr“软”涂层刀具的表面形貌、微观结构和界面结合机制的分析可知，用中频磁控溅射与多弧离子镀相结合的工艺制备的MoS2／Zr“软”涂层表面较为平整，涂层呈现非晶态结构，涂层中各元素分布均匀，涂层与基体材料存在由相互扩散形成的“伪”扩散层，使得涂层与基体的界面结合较为紧密。系统地研究了MoS2／Zr“软”涂层刀具材料的摩擦磨损特性，探讨了载荷、摩擦距离等对其摩擦磨损性能的影响。结果表明：当分别与45#钢和Al2O3球对摩时，MZ-1和MZ-2涂层的摩擦系数随摩擦距离的增大而增大，随载荷的增大而减小；磨损率随载荷的增大而增大。与纯MoS2涂层相比，MZ-1和MZ-2涂层的摩擦系数和磨损量均显著降低。对摩擦球表面磨损形貌和成分的分析表明，MoS2／Zr“软”涂层材料与对摩材料表面之间所形成的转移润滑膜是影响材料摩擦磨损性能的关键因素之一。由于摩擦副间转移膜的存在，涂层和对摩材料的摩擦转变为涂层和转移膜之间的“内”摩擦，从而降低了摩擦过程的摩擦系数，提高了材料的耐磨性能。对MoS2／Zr“软”涂层刀具的切削性能进行了试验研究，并与未涂层的YT15硬质合金刀具和M2高速钢刀具进行了对比。结果表明：加工调质45#钢时，MZ-1涂层刀具的前刀面摩擦系数和切削力均小于未涂层刀具，刀具的耐磨损能力获得提高；钻削45#钢的试验结果表明，MZ-2涂层刀具的后刀面磨损量降低，刀具的磨损程度减轻。试验同时发现，切削速度对MZ-1涂层刀具的磨损性能产生重要影响。低速切削时，涂层刀具的切削性能优于未涂层刀具；当切削速度增大，由于切削过程中产生的切削热和机械应力的作用，涂层出现分层剥落，从而加剧了刀具的磨损。通过对MoS2／Zr“软”涂层刀具切削加工润滑机理的分析可知，无论是在润滑膜完整的状态抑或边界润滑状态下，由于表面“软”涂层的存在，涂层刀具的摩擦力和摩擦系数均降低；MoS2／Zr“软”涂层在刀具和切屑之间起到润滑剂的作用，从而降低了刀具的磨损。
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相关论文文献
- [1].MoS_2/Zr复合涂层高速钢刀具的切削性能研究[J]. 中国机械工程 2008(21)
- [2].MoS_2/Zr复合薄膜的制备工艺研究[J]. 郑州大学学报(工学版) 2009(01)