DLC复合涂层刀具的力学性能及切削性能研究

作     者：郝甜妹 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜劲

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：DLC 复合涂层 硬质合金刀具 力学性能 切削性能 

摘      要：类金刚石(DLC)是一种亚稳态非晶材料。它由配位碳原子的sp,sp和sp杂化键组合形成,并且含有C-H共价键存在于含氢DLC中。DLC涂层具有低表面粗糙度,高硬度,自润滑特性,强耐磨性和强耐腐蚀性等优异特性,常用于耐磨涂层领域。涂有DLC涂层的刀具适用于各种合金和有色金属的机械加工。但DLC涂层刀具内部存在残余应力高,韧性低和膜-基结合力低的缺陷,严重限制了DLC涂层的广泛应用。添加过渡层可使硬度和热膨胀系数等在刀具基体和DLC涂层之间进行过渡,因而可有效解决上述问题。为了分析DLC复合涂层刀具的力学性能和切削性能,采用磁控溅射和等离子体辅助化学气象沉积结合的方法在YG8硬质合金切削刀具上分别制备了DLC单层涂层,Cr/Cr N/DLC复合涂层和Cr/W-DLC/DLC复合涂层,研究了Cr/x过渡层结构对DLC涂层显微组织、力学性能和切削铝硅合金(AC9B)性能的影响。与单层DLC涂层相比,Cr/x/DLC复合涂层中的Cr/x过渡层结构降低了DLC涂层中sp杂化键的含量,进而降低了DLC涂层的硬度和弹性模量。然而,Cr/x过渡层有助于增加涂层中sp杂化键的含量,从而可减少涂层内部的残余应力。另外,Cr/x/DLC复合涂层的膜-基匹配性能优于单层DLC涂层。经测试分析得出,Cr/W-DLC/DLC复合涂层具有最高的膜-基结合力和最高的韧性。经切削实验研究表明,Cr/W-DLC/DLC复合涂层刀具在铝硅合金(AC9B)加工中具有最长的刀具寿命,是无涂层硬质合金刀具切削寿命的1.35倍,是Cr/Cr N/DLC涂层刀具的1.07倍,是DLC单层涂层刀具寿命的1.15倍。经显微观察分析发现粘着磨损和磨粒磨损是DLC涂层刀具的主要磨损机制。采用雷达图法对DLC复合涂层的力学性能和刀具寿命做出综合评价,结果显示Cr/W-DLC/DLC复合涂层刀具具有最优的综合性能,适用于铝硅合金的加工。利用Advant Edge有限元仿真软件将Cr/W-DLC/DLC复合涂层与其他三种常用涂层刀具(即Ti C-,Ti Al N-,AlO-)进行了切削性能对比研究。重点分析了实际切削试验中比较难测量到的切削性能参数,如刀具前刀面的传热系数,切削变形率,已加工表面的塑性变形深度以及膜-基界面温度和应力等。分析了不同的切削速度对Cr/W-DLC/DLC复合涂层切削性能的影响,结果表明:与其他三种常用涂层刀具相比,Cr/W-DLC/DLC涂层刀具切削温度最低,但由于涂层导热系数大,计算得到的前刀面热分配系数高于其他常用三种涂层。Cr/W-DLC/DLC涂层刀具还具有较低的切削变形率、较低的膜-基界面温度和膜-基界面应力,这有利于实际切削加工。随着切削速度的提高,Cr/W-DLC/DLC涂层刀具的切削力和切削温度逐渐增大,切削变形率、已加工表面塑性变形深度和前刀面热分配系数逐渐降低。具有综合性能优良的Cr/x/DLC复合涂层的成功制备和力学性能测试分析,为DLC复合涂层的发展提供了基础,为DLC复合涂层应用于切削领域提供了依据。Cr/x/DLC复合涂层的研究为综合性能优良的DLC涂层刀具开发和扩大其实际应用提供了理论依据和技术指导。