硬质合金CVD涂层刀具表面结构调控及性能

作     者：周时雨 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：关庆丰

授予年度：2021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：CVD涂层刀具 强流脉冲电子束(HCPEB) 组织形貌 表面性能 切削性能 

摘      要：本文通过化学气相沉积法(CVD)制备了不同厚度的TiCN单层和TiCN-AlO复合涂层,并采用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对TiCN-AlO复合涂层进行表面改性。利用X射线衍射仪(XRD)、光镜(OM)、三维激光共聚焦(3D-LSM)和扫描电镜(SEM)等技术手段表征上述CVD单层涂层、复合涂层以及辐照处理后涂层样品的相组成与组织形貌,并结合纳米压痕、划痕试验、摩擦磨损、高温氧化以及切削试验等建立涂层微观组织形貌与性能之间的内在联系。微观组织结构表征结果显示:采用化学气相沉积法涂覆的单层TiCN和复合双层TiCN-AlO涂层组织结构均匀致密,晶粒尺寸随涂层厚度的增加而增大,此外涂层中裂纹随涂层厚度增加而增多。摩擦磨损试验结果表明:4μm-TiCN涂层样品表现出最佳的耐磨性,6μm-TiCN+2μm-AlO复合涂层样品耐磨性最差。TiCN单层涂层的磨损机理有磨粒磨损、粘着磨损以及氧化磨损,而TiCN-AlO复合涂层只存在磨粒磨损和粘着磨损。氧化试验结果显示:在600℃大气环境下,较未硬质合金基体,TiCN和TiCN-AlO涂层均体现出良好的抗氧化性;在800℃大气环境下,TiCN-AlO复合涂层样品的抗氧化性均优于TiCN单层涂层样品,此外,无论单层还是复合双层涂层,其抗氧化性均随涂层厚度的增加而降低。电化学腐蚀结果显示TiCN-AlO复合双层涂层的耐腐蚀性能优于单层TiCN涂层,这是由于TiCN-AlO体系涂层样品最外层为AlO,此外,需要指出的是,两种体系涂层的耐腐蚀性均随着厚度的增加而降低。划痕试验结果表明,8μm-TiCN涂层样品的结合强度最差,未达到硬质合金涂层刀具的实际使用要求,其余样品的均具有良好的结合强度,特别是4μm-TiCN涂层其临界载荷甚至超过150 N。经HCPEB辐照处理后,TiCN-AlO复合双层涂层由于TiCN和AlO热膨胀系数的差异而形成热失配应力,样品XRD衍射峰随着辐照次数的增加先向高角度偏移再先低角度偏移;同时辐照后的涂层表面会出现典型的熔坑形貌并且表面粗糙度明显降低;除此之外,经辐照后样品表面裂纹处发生重熔,并对裂纹起到“缝补作用。相应地,HCPEB辐照有效改善样品纳米硬度(H)和弹性模量(E),并且H/E及H/E比值随着辐照次数的增加先上升后降低,经5次辐照后H/E和H/E达到最大值,分别为0.069和0.137 GPa,说明抵抗塑性变形能力最强;由于样品经辐照后表面粗糙度明显降低导致其摩擦系数和磨损率下降,耐磨性均得以提高,磨损机理有磨粒磨损和粘着磨损。另外,经适当次数HCPEB辐照处理后涂层的结合强度也可得以改善,5次辐照后临界载荷达到73.92 N,相较原样有着显著提高;随着辐照次数的进一步增加结合涂层结合强度急剧下降,15次辐照后临界载荷只有56.88 N。由于HCPEB辐照5次后的样品具有最佳的机械性能、耐磨性以及结合强度,展现出优异的切削性能,切削寿命相较原始样品提高了14.3%,并且失效形式仅存在后刀面磨损。