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真空科学与技术学报 2014年第5期34卷 477-482页

作者：付贵忠孔德军张垒叶存冬常州大学机械工程学院常州213016 江苏省大型重载齿轮传动工程技术研究中心常州213012

利用阴极离子镀法在tic基金属陶瓷刀具上制备了AlCrN涂层,通过扫描电镜观察了表面形貌,并用原子力显微镜分析了三维表面微观形貌,获得表面粗糙度相关评定参数,同时对高度、层次、粒度、功率谱密度等进行了分析。结果表明,表面粗糙度均... 详细信息

利用阴极离子镀法在tic基金属陶瓷刀具上制备了AlCrN涂层,通过扫描电镜观察了表面形貌,并用原子力显微镜分析了三维表面微观形貌,获得表面粗糙度相关评定参数,同时对高度、层次、粒度、功率谱密度等进行了分析。结果表明,表面粗糙度均方根偏差tic基体为85.8 nm,AlCrN涂层为175 nm,AlCrN涂层与tic基体表面相对平整,阴极离子镀对表面粗糙度影响较小;AlCrN涂层表面高度值相对分散,支承系数大;AlCrN涂层平均颗粒直径1432 nm,而tic基体为1460 nm,根据Hall-Petch关系,AlCrN涂层的显微硬度远远高于tic基体的显微硬度;AlCrN涂层和tic基体功率谱分布无规律,材料表面均表现为各向异性。

关键词： tic基金属陶瓷刀具 AlCrN涂层原子力显微镜三维表面微观形貌功率谱密度

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阴极弧离子镀AlCrN涂层组织与摩擦磨损性能研究

阴极弧离子镀AlCrN涂层组织与摩擦磨损性能研究

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作者：付贵忠常州大学

学位级别：硕士

本研究课题来源于江苏省科技支撑计划(工业)(BE2012066):航空大型数控装备用超大型齿圈精密制造关键技术研究,提出利用AlCrN刀具涂层可以提高切削加工效率和精度。常用的涂层有tic与TiN,它们存在硬度低,摩擦系数大,工作温度低等缺点。Al... 详细信息

本研究课题来源于江苏省科技支撑计划(工业)(BE2012066):航空大型数控装备用超大型齿圈精密制造关键技术研究,提出利用AlCrN刀具涂层可以提高切削加工效率和精度。常用的涂层有tic与TiN,它们存在硬度低,摩擦系数大,工作温度低等缺点。AlCrN涂层硬度高,摩擦系数小,可以经受900000℃的高温。目前系统地研究AlCrN涂层微观几何形貌、涂层-基体结合机制、高温氧化及摩擦性能较少,因此本文对AlCrN涂层的组织结构及性能进行了深入的研究,为提高AlCrN涂层刀具的应用水平提供参考。主要结论和创新成果如下:(1)利用阴极离子镀法在tic基金属陶瓷刀具上制备了AlCrN涂层,用AFM观察了3D形貌,获得了表面粗糙度相关评定参数。结果表明:涂层表面致密,相对平整,与基体结合紧密。tic基体与AlCrN涂层的表面粗糙度S值分别为63.7nm和135nm;AlCrN涂层表面高度值相对分散,支承系数大;AlCrN涂层平均颗粒直径710nm,tic刀具基体1460nm;AlCrN涂层和tic基体功率谱分布无规律,材料表面均表现为各向异性。tic基体的表面轮廓和AlCrN涂层的没有确定的相互关系。(2)通过SEM、XRD和EDS对AlCrN涂层的物相组成表面界面元素含量及分布进行了研究,并对其界面冶金结合机理进行了探讨。结果表明:涂层中除了AlN相与CrN相,还有少量的tic(N)相和Ni相;AlCrN涂层表面Al含量高,有利于提高耐磨性;Ti、C、N、Al元素发生了扩散,在界面处形成冶金结合,结合力为83N。(3)利用摩擦磨损试验研究tic基刀具和AlCrN涂层摩擦因数变化和磨损机制。结果表明:AlCrN涂层比tic基金属陶瓷刀具摩擦因数降低了约25%,随着载荷的增大,表现为摩擦因数减小;tic基金属陶瓷刀具磨损机制为疲劳磨损+磨粒磨损+氧化磨损;AlCrN涂层磨损机制为磨粒磨损+氧化磨损。(4)利用高温氧化试验分析了AlCrN涂层耐高温氧化性能,利用光电子能谱仪(XPS)分析了氧化前后各元素的结合能变化。结果表明:900℃高温氧化后AlCrN涂层全部被氧化,生成AlO+CrO,这些硬质相仍有一定的保护作用;氧化前后的XPS结果都存在Al2p峰、Cr2p峰、O1s峰、N1s峰和标定峰C1s;氧化前Al2p峰对应的结合能为74.3eV,对应的化学键是Al-N键,Cr2p3/2与Cr2p1/2的结合能分别是578.3eV与587.0eV,对应的化学键是Cr-N键,N1s峰的对应的结合能是400.0eV;900℃高温氧化后,Al2p的结合能为74.3eV,对应的化学键是Al-O和Al-Al键,Cr2p3/2与Cr2p1/2的结合能分别是587.3与576.9eV,对应的化学键是Cr-O键,N1s峰对应的结合能是400.0eV。氧化后与原始状态相比,对应Cr的Cr2p1/2峰结合能增大了0.3eV,是由于与Cr相化合O元素的电负性比N的电负性大所致。(5)利用900℃高温磨损试验研究了涂层的耐高温磨损行为。利用SEM观察了磨损形貌,用EDS和XRD分析了磨损前后元素和物相的变化,讨论了载荷对涂层摩擦因数和磨损性的影响。结果表明:经900℃高温氧化后,AlCrN涂层被氧化生成AlO和CrO;在载荷600g、800g和1000g时,平均摩擦因数值分别是0.145、0.394和0.418;在涂层高温磨损时,磨损部位中产生了大量的氧化物,表现为氧化磨损,伴随着磨粒磨损+黏着磨损。

关键词： tic基金属陶瓷刀具 AlCrN涂层微观形貌界面扩散高温氧化性能磨损性能

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