AlCrSiN涂层制备及性能研究

作     者：何澄 

作者单位：上海应用技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张而耕

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：物理气相沉积 AlCrSiN 组织结构 高温氧化 铣削 

摘      要：随着“中国制造2025绿色制造概念的提出,干式加工已成为未来的重要材料成型方式。在干式切削加工过程中,大量热量堆积在刀尖部,加剧刀具磨损。因此,干式切削加工对刀具的性能提出了更高要求。本文针对干式铣削过程中CrAlN涂层刀具磨损严重,被加工表面质量低等问题,利用阴极电弧离子镀技术在CrAlN涂层中掺入Si元素改善CrAlN涂层刀具性能。通过球磨仪、粗糙度仪、洛氏硬度计、扫描电镜等对涂层的形貌、组织结构及力学性能进行表征。在相同干式铣削条件下,分析CrAlN涂层刀具与AlCrSiN涂层刀具铣削性能。该研究可以用于指导新型涂层的制备及应用,研究内容如下:(1)通过单因素法改变沉积参数制备AlCrSiN涂层。涂层结合强度随着制备温度上升而提高,随沉积时间延长呈先上升后下降趋势。此外,涂层的表面粗糙度值随温度上升而提高。延长沉积时间易使涂层厚度过大导致内部应力集中,涂层硬度提升,但膜/基结合性能差。本课题制备的AlCrSiN涂层,厚度为2.7μm,硬度为34Gpa,结合强度符合HF1级别。(2)制备不同Si元素含量的AlCrSiN涂层。通过表征发现,随着Si元素含量上升,AlCrSiN涂层结合强度更高,AlCrSiN涂层硬度出现先上升后下降的趋势。非晶的SiN相抑制CrAlN粗晶生长,起到细化晶粒的作用,同时SiN相与CrAlN相共格外延生长提高涂层硬度。涂层硬度下降是由于Si元素含量过多导致外延生长被破坏。(3)优选硬度较高的AlCrSiN涂层,进行高温氧化实验。随着氧化温度上升,CrAlN涂层表面氧化反应明显。相同氧化温度下,氧化后AlCrSiN涂层较CrAlN具有低的氧含量。且XRD分析表明氧化后的AlCrSiN涂层中Cr与O的结合态为CrO而非CrO,说明Cr与O反应不充分,表现较好的耐氧化性。(4)对两种涂层刀具进行切削实验。与CrAlN涂层刀具相比,在相同的铣削距离下,AlCrSiN涂层刀具振动小,切削力小且稳定,加工表面质量高,具有更高的耐磨性和更长的服役时间。此外,两种涂层在铣削中的磨损形式与刀具正常磨损的三个阶段相符。