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沉积压强对AlCrSiN/Mo自润滑涂层结构及性能的影响

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材料工程 2023年

作者：王重阳刘艳梅许梦娇张冬青曹凤婷范其香王铁钢天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室

为解决AlCrSiN涂层刀具在干切削时因摩擦因数高，导致切削温度急剧上升，严重缩短刀具使用寿命的难题，通过在AlCrSiN涂层中掺杂第六副族Mo元素改善涂层摩擦学性能。采用高功率脉冲磁控溅射与脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术，在不同沉积... 详细信息

为解决AlCrSiN涂层刀具在干切削时因摩擦因数高，导致切削温度急剧上升，严重缩短刀具使用寿命的难题，通过在AlCrSiN涂层中掺杂第六副族Mo元素改善涂层摩擦学性能。采用高功率脉冲磁控溅射与脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术，在不同沉积压强下制备AlCrSiN/Mo涂层，调控涂层成分及结构，利用扫描电镜、电子探针分析仪、Ｘ射线衍射仪、纳米压痕仪、划痕测试仪及摩擦磨损试验机对涂层的成分结构、力学性能及摩擦学性能进行表征。结果表明：随着沉积压强增加，涂层择优生长取向由(111)晶面转变为(200)晶面，组织结构变得更加致密；涂层的临界载荷从65.6 N逐渐增至82.0 N，但沉积速率呈现线性降低。当沉积压强为1.6 Pa时，涂层的硬度与弹性模量均达到最高值，分别为20.6 GPa和394.3 GPa；特征值H/E与H3/E*2也达到最大，分别为0.052和0.046 GPa，此时涂层摩擦学性能最佳，摩擦因数与磨损率分别为0.65与1.52×10-3μm3·N-1·μm-1。

关键词：沉积压强 AlCrSiN/Mo 弹性模量 H/E 磨损率

沉积温度对AlCrTiN涂层组织结构与性能的影响

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中国表面工程 2021年第6期34卷 114-123页

作者：林静张硕马德政范其香王铁钢曹凤婷天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222

AlCrTiN涂层具有优异的综合性能,然而沉积温度对其组织结构与性能的影响还需进一步研究。采用电弧离子镀和脉冲直流磁控溅射复合沉积技术,改变沉积温度(300℃和400℃)制备两种不同的AlCrTiN涂层。结果表明:两种AlCrTiN涂层主要相均为fcc... 详细信息

AlCrTiN涂层具有优异的综合性能,然而沉积温度对其组织结构与性能的影响还需进一步研究。采用电弧离子镀和脉冲直流磁控溅射复合沉积技术,改变沉积温度(300℃和400℃)制备两种不同的AlCrTiN涂层。结果表明:两种AlCrTiN涂层主要相均为fcc-(Al,Ti,Cr)N相,沿(111)晶面择优生长。沉积温度为400℃时,涂层具有更高的硬度和弹性模量,更低的残余应力、摩擦因数和磨损率,表现出更好的力学性能和抗摩擦磨损性能。两种涂层经过700℃保温1 h后,由于涂层内原子扩散和缺陷愈合,硬度和结合力进一步提高。切削性能测试表明:300℃和400℃温度下制备的涂层铣刀寿命分别为无涂层铣刀的3.2倍和3.5倍。无涂层铣刀的失效形式以磨粒磨损为主,涂层铣刀的失效形式为磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损。研究成果对高性能AlCrTiN四元涂层的制备、理论研究与工程化应用具有指导意义。

关键词： AlCrTiN涂层组织结构力学性能摩擦磨损性能高温热稳定性切削性能

CrAlN纳米梯度涂层的组织结构与性能研究

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表面技术 2021年第5期50卷 348-355页

作者：梁杨梦甜范其香王欣王铁钢刘艳梅曹凤婷天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室

目的研究Al靶功率对Cr Al N纳米梯度涂层组织结构和力学性能的影响。方法采用磁控溅射与电弧离子镀复合技术,通过保持Cr靶电流不变、Al靶功率线性增加(0.6～2.2、0.6～2.4、0.6～2.6 kW)的方法,制备了三种不同表面Al含量的Cr Al N纳米... 详细信息

目的研究Al靶功率对Cr Al N纳米梯度涂层组织结构和力学性能的影响。方法采用磁控溅射与电弧离子镀复合技术,通过保持Cr靶电流不变、Al靶功率线性增加(0.6～2.2、0.6～2.4、0.6～2.6 kW)的方法,制备了三种不同表面Al含量的Cr Al N纳米梯度涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、纳米压痕仪、划痕仪和高温马弗炉,表征Cr Al N纳米梯度涂层的组织结构、成分、力学性能和抗高温氧化性能。结果当Al靶线性末端功率小于2.4 kW时,涂层的主要相结构为fcc-(Cr,Al)N,择优取向为(111)晶面,而Al靶线性末端功率增大为2.6 kW时,涂层中出现hcp-AlN相。随着Al靶线性末端功率的增加,涂层的硬度和结合力先减小、后增大。Al靶线性末端功率为2.4 kW条件下制备的Cr Al N涂层在800℃氧化1 h后,晶粒发生轻微粗化,表面发生微小的氧化,并出现了裂纹,但涂层主要相结构依然为fcc-(Cr,Al)N。结论当Al靶线性末端功率为2.4k W时,CrAlN纳米梯度涂层具有最高的硬度(31.3GPa)和最好的膜基结合力(88 N),表现出较好的抗高温氧化性能。

关键词：磁控溅射电弧离子镀 CrAlN涂层组织结构力学性能抗高温氧化性能

Zr-Ti-B-N刀具涂层在600℃恒温过程的演变研究

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工具技术 2024年第4期58卷 31-36页

作者：欧阳柳刘艳梅许人仁王重阳范其香曹凤婷王铁钢天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室天津市300222

评估Zr-Ti-B-N刀具涂层在600℃下的耐热能力,研究不同热处理时间对涂层结构和性能的影响规律。采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术制备Zr-Ti-B-N涂层,利用高温马弗炉对涂层进行热处理,借助纳米压痕仪、高温摩擦磨损试验... 详细信息

评估Zr-Ti-B-N刀具涂层在600℃下的耐热能力,研究不同热处理时间对涂层结构和性能的影响规律。采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术制备Zr-Ti-B-N涂层,利用高温马弗炉对涂层进行热处理,借助纳米压痕仪、高温摩擦磨损试验机测试热处理后Zr-Ti-B-N涂层的力学性能、摩擦学性能。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对热处理前后Zr-Ti-B-N涂层的微观结构进行表征,在高温环境下,不同热处理时间对涂层的力学性能、摩擦学性能和微观结构有显著影响。结果证明,在600℃的大气环境下,经1h热处理后,涂层的综合性能稳定,涂层硬度为23.7GPa,临界载荷为31.7N;经2h热处理后,晶粒尺寸逐渐增大,柱状晶结构变得明显,涂层硬度开始下降;经3h热处理后,涂层表面出现明显的氧化膜,晶粒尺寸增大了27.0%,摩擦系数降到最低,为0.66,临界载荷未发生明显变化。

关键词： Zr-Ti-B-N涂层耐热能力力学性能摩擦学性能

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切削加工刀具磨损及其预测建模技术研究进展

航空制造技术 2023年第18期66卷 98-109页

作者：王建肖陈光军赵理想轩文涛于志威天津职业技术师范大学天津300222 天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222

刀具磨损不仅影响工件加工表面质量和加工精度,而且频繁地换刀还会降低加工效率、增加生产成本,通过研究刀具磨损机理,影响刀具磨损的因素以及刀具磨损预测模型建模技术,为降低刀具磨损提供技术支持。对切削加工过程中刀具磨损及其预测... 详细信息

刀具磨损不仅影响工件加工表面质量和加工精度,而且频繁地换刀还会降低加工效率、增加生产成本,通过研究刀具磨损机理,影响刀具磨损的因素以及刀具磨损预测模型建模技术,为降低刀具磨损提供技术支持。对切削加工过程中刀具磨损及其预测建模技术的研究进展进行了综述。首先,基于近年来刀具磨损机理研究进展,分别对几种主要刀具磨损机理的表现形式及特征进行了分析。其次,重点论述了切削加工过程中切削参数、刀具几何参数、刀具和工件材料特性及加工方法等因素对刀具磨损影响规律,总结分析了刀具磨损预测建模方法和形式。最后,结合制造业绿色节能的发展理念和高速发展的计算机技术,指出降低刀具磨损的加工方法和刀具磨损预测建模技术的未来发展方向。

关键词：刀具磨损预测建模技术磨损机理切削参数刀具几何参数

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薄盘工件不平衡量在线测算及去重试验研究

航空制造技术 2023年第11期66卷 102-106页

作者：张仕海朱冶诚天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222 天津职业技术师范大学天津300222

基于薄盘类零件具有较大径厚比,且不平衡量可以看作分布在一个平面内的特点,提出一种基于夹载工件前后机床主轴不平衡振动信号的变化而间接、在线测算薄盘类工件不平衡量的方法。基于附加不平衡振动检测系统、复合数控机床的主轴准停、... 详细信息

基于薄盘类零件具有较大径厚比,且不平衡量可以看作分布在一个平面内的特点,提出一种基于夹载工件前后机床主轴不平衡振动信号的变化而间接、在线测算薄盘类工件不平衡量的方法。基于附加不平衡振动检测系统、复合数控机床的主轴准停、刀具定位及去重控制等功能,提出薄盘工件不平衡量在线去重校正的理念。通过试验证实了工件不平衡量在线测算及校正的可行性。本研究可以在无动平衡机的条件下实现薄盘工件不平衡量的在线测算与去重校正,在节省工件平衡成本、提高工件平衡效率与加工精度等方面具有参考价值。

关键词：薄盘工件不平衡量在线测算在线去重机床主轴

高功率脉冲和脉冲直流磁控共溅射CrAlN薄膜的研究

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表面技术 2019年第4期48卷 137-144页

作者：郭玉垚王铁钢李柏松刘艳梅蒙德强许人仁天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室

目的通过掺杂适量Al元素来固溶强化Cr N薄膜,从而提高薄膜的抗氧化性能和热稳定性。方法采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术制备了Cr Al N薄膜,利用XRD、纳米压痕仪、应力仪、摩擦磨损试验机系统地研究了不同基体偏... 详细信息

目的通过掺杂适量Al元素来固溶强化Cr N薄膜,从而提高薄膜的抗氧化性能和热稳定性。方法采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术制备了Cr Al N薄膜,利用XRD、纳米压痕仪、应力仪、摩擦磨损试验机系统地研究了不同基体偏压对CrAlN涂层结构和力学性能的影响。结果所有CrAlN涂层均以fcc-(Cr,Al)N相为主,且随着基体偏压的增加,沿(111)晶面生长的衍射峰逐渐减弱,并向小角度偏移;薄膜压应力显著增加,最大值为-2.68GPa;薄膜硬度先上升后下降,在基体偏压为-30V时,硬度达到最大值22.3 GPa;H/E值和H~3/E值随着基体偏压的增加,近似线性增大,当偏压为-120 V时,均达最大值0.11、0.21 GPa,同时摩擦系数和磨损率逐渐减小。结论当基体偏压为-120 V时,CrAlN薄膜具有最佳的耐磨性能,H/E和H~3/E在一定程度上可评价涂层的耐磨性。

关键词：高功率脉冲磁控溅射脉冲直流磁控溅射 CrAlN薄膜力学性能磨擦磨损性能

调制比对AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层结构的影响及涂层刀具的切削性能

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材料保护 2023年第4期56卷 10-21页

作者：朱建博刘艳梅王瑜王欢王重阳党钰钦王铁钢天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222

为解决硬质合金刀具切削淬硬钢时面临易磨损、寿命短的难题,在刀具表面涂覆硬度高、耐磨损的防护涂层是一种经济实用的方法。利用高功率脉冲磁控溅射与脉冲直流磁控溅射复合技术制备了不同调制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层,利用... 详细信息

为解决硬质合金刀具切削淬硬钢时面临易磨损、寿命短的难题,在刀具表面涂覆硬度高、耐磨损的防护涂层是一种经济实用的方法。利用高功率脉冲磁控溅射与脉冲直流磁控溅射复合技术制备了不同调制比的AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层,利用扫描电镜、纳米压痕仪、白光干涉仪等对多层膜的微观结构、力学性能以及涂层刀具的切削性能进行表征和分析。研究表明,当调制比为3∶1时,多层膜择优生长取向由(111)晶面转为(200)晶面,多层膜的表面致密度得到改善,层状结构明显,晶粒得到细化。此时,涂层硬度达25.7 GPa,临界载荷为79.6 N,耐磨性最强,磨损率为0.74×10^(-6)mm^(3)/(N·m),摩擦系数最低约0.45。将后刀面磨损带宽度0.3 mm作为磨钝标准,干切削淬火C1045中碳钢,AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层刀具的寿命比AlCrSiN涂层刀具寿命提高1.2倍,比无涂层刀具寿命提高3.2倍。切削过程中多层复合涂层内部分Mo元素被氧化成层状MoO3,起到润滑作用,有效降低了切削力和摩擦产生的切削热,延长了刀具使用寿命。无涂层刀具、AlCrSiN涂层刀具、AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层刀具连续切削25 min后,切屑颜色越来越浅,切削温度越来越低。经观察与计算,AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层刀具所产生的切屑锯齿化程度最高,约为0.36,易于自动断屑,更有利于切削的持续进行。

关键词： AlCrSiN/AlCrMoSiN多层复合涂层调制比自润滑涂层切削性能

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CrAlSiN纳米复合涂层的最新研究进展

材料保护 2023年第12期56卷 125-139页

作者：郭明璐范其香王铁钢天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222

随着工业对切削精度和效率的要求不断提高以及钛合金等难加工材料的出现,具有优异综合性能的新型硬质涂层材料的开发与改性成为研究热点。CrAlSiN涂层因其具有纳米复合结构而表现出超高的硬度,同时具有优异的抗高温氧化和耐磨性能,获得... 详细信息

随着工业对切削精度和效率的要求不断提高以及钛合金等难加工材料的出现,具有优异综合性能的新型硬质涂层材料的开发与改性成为研究热点。CrAlSiN涂层因其具有纳米复合结构而表现出超高的硬度,同时具有优异的抗高温氧化和耐磨性能,获得了研究者的广泛关注。本文归纳了CrAlSiN涂层的微观结构、力学性能、耐磨性能、高温抗氧化性、高温热稳定性、耐蚀性和切削性能的特点及相关机制;阐述了涂层中Al和Si含量对其微观结构和性能的影响规律及作用机理;综述了元素掺杂(掺Ti、V、O、Mo等)与微观结构设计(添加过渡层、多层和梯度结构)对CrAlSiN涂层微观结构与性能的影响和作用机制;最后对CrAlSiN涂层的发展与研究方向进行了展望。

关键词： CrAlSiN涂层微观结构力学性能掺杂元素结构设计