（机械制造及其自动化专业论文）zrn涂层刀具材料摩擦磨损特性的研究.pdf

摘要 摘要 z r n 具有硬度高、熔点高、热稳定性好、优良的耐磨性等优点，本文研制开 发出z r n 系列涂层硬质合金刀具，并对其力学性能、微观结构、受力分析和摩擦 磨损机理进行了深入系统的研究 以y t l 5 和y g 6 硬质合金为基体和厅为过渡层，采用脉冲偏压辅助沉积电 弧离子镀与离子轰击相结合工艺成功研制开发了z r n 系列涂层硬质合金刀具。结 果表明：t 5 ( z r n z r ) 涂层刀具的综合机械性能最佳：硬度为2 7 7 8g p a ，涂层与基 体的结合力为7 0 2 3n ，涂层厚度为5 2 3 岬1 。 建立了z r n 系列涂层硬质合金刀具与4 5 样钢高速环一块摩擦磨损的有限元分 析模型，并对摩擦过程进行了动态仿真，得出了z r n 系列涂层硬质合金刀具在摩擦 过程中的应力分布规律。结果表明：未涂层硬质合金刀具的最大等效应力和剪应 力明显高于涂层刀具；最大主应力位于摩擦副接触区中心区域，最大剪应力位于 摩擦副接触区中心偏左区域，其大小随载荷的增大而增大，而转速对其影响较小 在室温干摩擦条件下对z r n 系列涂层硬质合金刀具进行了高速环一块摩擦磨 损试验，得出了z r n 系列涂层硬质合金刀具的摩擦磨损特性。结果表明；( 1 ) 未 涂层刀具的摩擦系数和磨损率明显高于涂层刀具的摩擦系数和磨损率，在载荷4 0 n ，转速5 0 0r m i n 条件下，未涂层刀具t 1 的摩擦系数为0 3 8 9 9 ，磨损率为 4 1 0 0 8 ( x 1 0 1 0e m 3 n i n ) ，而z r n 涂层刀具t 5 的摩擦系数为o 1 9 9 0 ，磨损率为 1 0 4 0 6 ( x 1 0 。1 0 c m 3 n m ) ，z r n 涂层刀具有很好的减摩抗磨作用；( 2 ) 随着载荷和转 速的增加，摩擦系数呈下降趋势；随着载荷的增加，磨损率呈上升趋势：随着转 速的增加，磨损率呈下降趋势；( 3 ) 沉积工艺相同，基体为y t l 5 的z r n 涂层刀 具的磨损率要比基体为y g 6 的z r n 涂层刀具的磨损率要小；基体相同，有压过 渡层比无盈过渡层的减摩抗磨效果好。 通过乃n 系列涂层硬质合金刀具摩擦磨损时的s e m 照片分析可知：嬲列涂 层硬质合金刀具与4 5 # 钢摩擦时的磨损机理是磨粒磨损和涂层的微剥落。 关键词：盈n ：涂层刀具；摩擦磨损；磨损机理 + 国家自然科学基金项目( 5 0 4 7 5 1 3 3 ，5 0 6 7 5 1 2 0 ) 和教育部新世纪优秀人才支持计划项目 ( n c e t - 0 4 - 0 6 2 2 ) i x a b s l r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t , z r ni sa t t r a c t i n gs p e c i a la t t e n t i o na si ti sar e f r a c t o r yc o m p o u n dw i t h h i g hh a r d n e s s ，h i g hm e l t i n gp o i n t ，h i g hc h e m i c a la n dt h e r m a ls t a b i l i t y e x t e n s i v e r e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u to ni t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , m i c r o s u u c t u r e8 u c s ss t a t u s a n df a i l u r em e c h a n i s m s z r nc o a t i n g sw e r ed e p o s i t e do n t oc e m e n t e dc a r b i d ea n dz ri n t e r l a y e ru s i n ga r c i o np l a t i n gt e c h n i q u e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h et 5 ( z r n z r ) c o a t i n gh a dg o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h eh a r d n e s si 82 7 7 8g p a , t h ea d h e s i v es u - e n g t hi s7 0 2 3n ， t h ec o a t i n gt h i c k n e s si s5 2 3p m f i n i t ed e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e db ya n s y ss o f t w a r et og e tt h es u e s sa n di t s d i s t r i b u t i o nd u r i n gh i g h - s p e e dr i n g - b l o c kw e a l p r o c e s s e s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e w a sag r e a td i f f e r e n c eo ft h em a x i m u mo f m a i na n ds h e a rs t r e s sf o rz r nc o a t i n g s t h e m a x i n l u l no fm a i ns t r e s sw a sl o c a t e da tt h ec e n t e ro fs l i d i n gc o u p l e , w h i l et h e m a x i m u mo fs h e a rs i r e s 8a tt h eo u t s i d eo fs l i d i n gc o u p l e t h ev a l u eo ft h es t r e s s i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa p p l i e dl o a d , a n dt h es l i d i n gs p e e dj u s th a sl i t t l ee f f e c t o nt h es 缸 c s s e 8 d r y f r i c t i o na n dw o a rt e s t sa tr o o mt e m p e r a t u r ew e r ec o n d u c t e dw i t ham r h - 3 h i g h - s p dr i n g - b l o c kt r i b o m e t e r r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h e w e a rr a t e so ft h eu n c o a t e dt o o l sw e r eh i g h e rt h a nz r nc o a t i n g s t h ef r i c t i o n c o e 伍c i e n to fu n c o a t e dt o o l st 1i s0 3 8 9 9a n dt h ew e a rr a t eo ft 1i s 4 1 0 0 8 ( x 1 0 1 0 e m 3 n m ) ，t h e r e f o r et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fc o a t e dt o o lt 5i s0 1 9 9 0 a n dt h ew e a rr a t eo f t 5i s1 0 4 0 6 ( x 1 0 1 0 e m 3 n m ) i kw e a rr a t e si n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ea p p l i e dl o a d , t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e d1 i mt h ea p p l i e dl o a d ，t h e 惴r a t e sd c c r e 黜e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es l i d i n gs p e e d z r nc o a t i n g sw e r eb e t t e r b o n d e dt oy t l 5c o m e n t e dc a r b i d es u b s t r a t et h a ny g 6c e m e n t e dc a r b i d es u b s w a t e u n d e rt h ec o n d i t i o no f t h es a m od e p o s i t i o nt e c h n i q u e z r nc o a t i n g sw i t hz ri n t e r l a y e r s u p p o r t e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 4 7 5 1 3 3 ，5 0 6 7 5 1 2 0 ) a n dt h ep r o g r a mf o rn e w c e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t y ( n c e t - 0 4 - 0 6 2 2 ) x i 山东大学硕士学位论文 h a v eb e t t e rf r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r st h a nz r n c o a t i n g s z r nc o a t i n g sw c l i eo b s e r v e di na l ls e m d u r i n gt h ea b r a s i v ew e a rt e s t su s i n ga r i n g - b l o c ka n d4 5 # a sc o u n t e r p a r t s e mo b s e r v a t i o n ss h o w e dt h a tw e a r m e c h a n i s m so f z r nc o a t i n g sw e r em o s t l ya b r a s i v ew e a ra n db r i t t l e n e s sb r e a k o f f c o a t i n g s k e y w o r t l s ：z r n ；c o a t i n g s ；f r i c t i o na n dw e ew e a rm e c h a n i s m s ) ( 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰盘 日期：翻：堑垄 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：芏血 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 涂层刀具的性能、应用及国内外研究现状 1 1 1 涂层刀具的性能特点 涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点【l - 2 ，提 高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使 用涂层刀具可以获得明显的经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使 用，因而可以大大减少了刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备 成本。西方国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1 9 7 8 年的2 6 增加到 2 0 0 5 年的5 0 - 6 0 新型数控机床所用切削刀具中有8 0 左右使用涂层刀具。涂 层刀具的性能特点见表i - i 。 表i - i涂层刀具的性能特点 性能特点 力学和切将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既有基体的良好的韧性和强 削性能度，又有涂层的高硬度和高耐磨性与未涂层相比，切削速度可提高2 倍 以上，寿命提高2 5 倍不同的涂层材料刀具，切削性能不一样，低速切 削t i c 占优势，高速切削髑n 占优势 刀具寿命刀具寿命与涂层厚度有关若以后刀面磨损为基准，随涂层厚度的增加刀 与涂层厚具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加；但如 度有关果以前刀面月牙洼深度为刀具寿命的基准刀具寿命与涂层厚度成正比，未 发现饱和现象。涂层太厚时易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差，不 能有效地保护基体，不同的涂层物质有其最佳涂层厚度。 通用性广代替数种非涂层刀具使用，大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理， 降低刀具和设各成本 重磨性差重磨性差，涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本相对较高， 主要用于刚性高的数控机床。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 刀具涂层的制备方法 目前常用的刀具涂层方法有：化学气相沉积( c v d ) 、物理气相沉积( p r o ) 、等 离子体化学气相沉积( p c v d ) 、盐浴浸镀法、等离子喷涂、热解沉积涂层以及化学 涂覆法等。目前，7 0 以上的硬质合金刀片使用化学气相沉积( c v d ) 、物理气相 沉积o v d ) 或者c v d 和p v d 两者的组合镀层。应用最广泛的镀层是t i c 、 a 1 2 0 3 ( c v d 工艺) 、t i a l l q ( p v d 工艺) 、t i n 和t i c n ( c v d 和p v d 工艺) 以及金刚 石镀层( c v dt 艺) 。刀具涂层的制各方法见表1 - 2 。 表1 - 2 刀具涂层的制备方法【3 嘲 涂层方法原理和特点 利用金属卤化物的蒸汽，氢气和其他化学成分，在9 5 0 - - 1 0 5 0 的温度下， 化学气相沉进行分解、熟合等气固相反应，或者利用化学传输等作用，在加热基体表 积法( c v d )面生成固态沉积层的一种方法。其工艺条件要求高，对温度压力和反应物 供给要求严格控制，成本较高。 p v d 法起步较晚，但发展很快，其工艺基本原理可分为反应离子沉积法和 反应溅射法等工件表面通过粒子轰击而得到净化，涂层材料则熔化而雾 物理气相沉化，并在等离子区电离，沉积于被涂层的材料上。p v d 法的沉积温度比c v d 积法( p 、，d ) 法低，约为3 0 0 - - - 5 0 0 。因此与c v d 法相比，p v d 法有很多优点涂层 纯度高，致密性好，涂层与基体结合牢固，涂层性能不受基体材质的影响， 近年来p v d 法受到了格外重视但p v d 法的工艺要求严格，设备费用比 c v d 还要高2 倍，而且涂层周期长，因此涂层成本较高。 此法是材料制各的湿化学方法中新兴起的一种方法，使用无机盐或金属醇 盐作为前驱物。其反应步骤是：前驱物溶于溶剂中，形成均匀溶液，溶质 溶胶一凝胶与溶剂发生水解或醇解反应，生成物聚集成1 衄左右的粒子并形成溶胶， 法 后者经陈化干燥转变为凝胶，凝胶经烧结后可得所需产物。主要发生水解 反应和聚合反应。与传统方法相比，具有设备简单，工艺易于控制，粉末 纯度和均匀度高，成本低等优点。 盐浴浸镀法 7 0 年代发展起来的一种刀具涂层方法，工艺过程为将要处理的工件浸入含 2 第l 章绪论 碳化物成形粉末的熔融盐浴中在8 0 0 1 2 5 0 保持i 一1 0 个小时即可在工件 表面涂覆上i 1 0 呻l 的碳化物层该方法的工艺设备简单。成本低其主 要缺点是涂层容易开裂或者剥落，且因涂层温度较高，容易引起工具变形 和碳化物的氧化，因而该方法在实际应用中有较大的局限性 1 1 3 涂层刀具的应用 根据不同的加工要求，考虑涂层的相应性能，进行合理选择，可使涂层刀具 在加工中发挥出潜在优势。 1 高速切削 图i - i 为用未涂层刀具、t i n 涂层刀具和( a i , t i ) n 高速铣削淬硬钢时，刀 具后刀面磨损量随切削速度变化的对比图由图可见，( a 上t i ) n 涂层刀具后刀 面磨损量随速度升高缓慢升高，而未涂层刀具和t i n 涂层刀具的后刀面磨损量迅 速增大，失去切削能力。涂层刀具的主要失效形式是磨料磨损 2 干切削 为了减少切削液对环境的影响，希望不用或者少用切削液是加工的一个趋势 在这种情况下，冷却、润滑的不足或排屑不畅，使刀具上产生极大的应力。涂层 经常被作为改善参数恶化的方法。图1 - 2 为用未涂层及不同涂层钻头干钻削加工 增强铝合金时，钻头寿命对比图。干钻削试验表明，用未涂层钻头完全干钻削是 不可能的，切屑粘结在螺旋槽中结果仅钻了6 个孔钻头就不能用了。此外，也 可发现单硬涂层p v d t i ( c ，n ) 和具有固体润滑层的两种不同硬质合金组合之间 的明显差别。与未涂层刀具比较，t i ( c ，n ) 涂层性能未明显改善，而( t i ，灿) c n + m o s 2 涂层钻头有可能钻削8 7 个孔。 3 轻合金切削 图1 3 为各种涂层硬质合金刀具和镀金刚石刀具车削增强铝合金时的后刀面 磨损。其中v = 4 0 0m m i n ，卸1m m r ，a p - 1m m ，刀具几何参数- - - - 5 。，- - - - 6 。， k o = 9 0 0 。从图1 3 可以看出，镀金刚石刀具的后刀面磨损最小。与t i n 相比， z r n 和t i a i n 涂层刀具，后刀面磨损较小。 山东大学硕士学位论文 4 难加工材料的切削 用高速钢加工高强度铝青铜合金时，切屑极易形成积屑瘤且易粘结在刀具后 刀面上。这种刀具后刀面摩擦增加，且温度升高，后刀面上熔焊的切屑使刀具基 体粘结失效。如果用硬质合金c v d 金刚石刀具，外圆车削高强度铝青铜合金， 可以实现较高的切削速度和较长的刀具寿命。若在陶瓷s i 3 n 4 上c v d 金刚石，由 于两者热膨胀系数相协调，且刀具刃口倒棱修正，则可得到更高的切削速度和更 长的刀具寿命。 4 0l 2 3 4 0 05 6 0 0 切削速度( t r 妇血) 图1 - 1 铣刀后刀面磨损量随切削速度的变化【6 】 刀具寿命髓( m ) 图1 - 2 不同涂层钻头寿命对比刚6 1 吣 哪 i 耋 | 耋 懈 哪 耋| 嘣 。 售目v棚鞲恤旧r呈f 第1 章绪论 02 0 0 4 0 0 6 0 0 切削时间( s ) 图l - 3 涂层刀具的后刀面磨损量随切削时间的变化嘲 1 1 4 涂层刀具的研究现状 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的出现，使 刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐 磨性好的难熔化合物，它将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具的性能大大 提高。涂层刀具可以提高加工效率和精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。 涂层刀具是近2 5 年以来发展最快的新型刀具，涂层工艺越来越成熟。西方工 业发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1 9 7 8 年的2 6 增加到2 0 0 5 年的5 0 - 6 0 。瑞典山德维克公司和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达 8 0 8 5 以上。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片比例为8 0 瑞典和德国 车削用涂层刀片已占7 0 以上。预计涂层刀具所占的比例可能达到8 0 以上。 哪 嘶 嘶 啷 吣 耋| 呲 。 信日一骣盥旧r妪 山东大学硕士学位论文 1 2z r n 涂层的性能、应用及研究现状 1 2 1z r n 涂层的性能特点 7 _ s n 涂层晶体结构为面心立方晶格，晶格常数为4 5 9 2a ，含盈约8 6 6 9 ， 含n 约1 3 3 1 。z r n 涂层是一种难熔硬质化合物，为硬质涂层，有很好的摩擦性 能，在保护基体材料韧性不变的情况下有相当高的表面硬度及其优良的结合性能。 颜色呈金黄色，它分解温度高，化学稳定性好，所以具有良好的耐高温、耐腐蚀、 耐磨性能，是良好的高温结构材料、超硬工具材料及表面保护材料。表1 3 列出 了压n 的物理机械性能参数。 表i - 3z r n 的物理机械性能参数川 l 材料弹性模量熔点密度热膨胀系数泊松比导热系数硬度 ( g p a ) ( )( g c m )( 1 0 k )( w 艋k )( o p a ) i z x n5 1 02 9 8 27 3 27 20 1 61 6 7 32 8 - 3 2 1 2 2z r n 涂层的应用领域 1 机械领域的应用 汽车发动机活塞的磨损比较严重，需要经常更换，即不方便又不经济。若将 活塞环槽上镀上一层陶瓷膜，就可以使耐磨性得到提高，从而延长使用寿命。航 空技术的发展对航空发动机涡轮性能的要求越来越高，在涡轮叶片上镀上陶瓷膜 使涡轮叶片具有金属的高韧性、高塑性和陶瓷的耐高温、耐腐蚀等双重优点，使 叶片使用寿命延长，长远来看它会降低叶片的修复成本【引。z r n 涂层易制备且成 本较低，将其应用于上述零件材料表面性能改性中必定能带来较高的经济利益。 z r n 耐腐蚀性能优良，还具有较好的高温耐冲刷性能，这个性能可将7 _ x n 涂 层应用到钛合金表面涂层，钛合金在军事和民用工业中都已广泛应用，而研究表 明7 _ x n 涂层与钛合金有良好的结合力，在钛合金上镀7 _ x n 涂层可是钛合金的耐腐 蚀和耐冲刷寿命大幅度提耐9 1 。 此外z r n 优良的耐磨性还可将其应用于切削刀具上，以提高切削刀具的使用 6 第1 章绪论 寿命。另外，z r n 的金黄色和耐腐蚀性能使其作为装饰材料在工业中应用极为广 泛，有极好的应用前景。 2 核领域中的应用 在核部件的研制、生产中铀等材料部件的应用占有重要的地位，这些材料部 件的腐蚀是一个较为严重的问题，通过表面改性技术，在材料表面镀上耐腐蚀、 耐磨性能高的z r n 涂层，可以有效达到既保护材料又不会对材料造成掺杂的目的， 而且对核材料的回收、处理，再利用也很有利。 3 其它领域中的应用 z r n 在其它领域中的应用主要有；根据其优良的电传导性能，在电子工业可 作为电接触层；根据其漂亮的金黄色在珠宝行业中用来做装饰膜；根据其低的摩 擦系数和良好的滑动性能，作为复合层应用于摩擦学中。 1 2 3z r n 涂层的研究现状 1 国内研究现状 1 9 9 7 年，吴大伟0 0 - n 1 等研究了直流反应磁控法沉积z r n 涂层，控制生长工艺 在硅片上可获得z r n ( 1 1 1 ) 晶向的外延膜，涂层分析认为存在z r n 和z r 2 n 。胡莉莉 1 1 2 1 等采用直流溅射法在玻璃基体上沉积了z r n 涂层，发现了氮气分量对z r n 涂层 的晶面取向有重要影响，当n 2 分量为1 2 2 4 的范围内，涂层结晶为氯化钠简单 立方晶格，垂直于基体平面沿( 1 1 1 ) 优化取向生长。当n 2 分量大于2 5 的范围内， 涂层结晶为不定形结构。刘天伟”1 利用微波b c r 等离子体辅助法在4 5 # 钢上制 备了7 _ x n 涂层，发现随着氮气流量的增加，涂层的结构由单一的7 _ x n 向z r n 和 z r n x 的复合结构转变。刘丽红【1 4 】研究发现真空度和基体偏压对z r n 涂层的显微 硬度和膜基结合力有重要影响。李成明发现采用直流磁控溅射制各的z r n 涂层结 合力和耐腐蚀性能较差。许兰萍【1 习研究发现z r n 涂层具有优良的抗磨、减摩性能， 较好的耐蚀性。 2 国外研究现状 从6 0 年代开始，西方国家以改善高速钢的切屑性能和使用寿命为目的，对同 处族的t i 、厅的碳化物和氮化物作为耐磨涂层的性能进行了较为细致的研究。 7 山东大学硕士学位论文 8 0 年代初，国外在涂层耐磨性能的研究上逐渐取得了一些研究成果，研究表明 z r n 涂层的显微硬度值高达约4 0 0m p a ( 2 5n 载荷) ，有极好的附着力，划痕试验 临界载荷可达8 0n 【1 6 】；耐磨试验显示了镀了t i n 涂层和z r n 涂层的钻头用于合 金铜板时比普通钻头寿命分别提高5 倍和7 倍。8 0 年代朱国内外工作者对z r n 优 良的耐蚀性能产生了很大兴趣，并同广泛使用的t i n 进行了比较。结果表明z r n 涂层不但有很强的抗高浓度强酸的能力，而且还有优良的抗磨、减摩性能。对z r n 和t i n 进行的腐蚀实验表明z r n 比t i n 更耐蚀。 j 丸s u e ，t p c h a 对1 n 对z r n 、t i n 等涂层的高温抗磨损性能作了研究，涂层 的硬度分别为1 8 9g p a ，2 0 8g p a 。研究表明：在与镍铬7 1 8 合金配副时，在5 0 0 时乙n 的耐高温磨损性能高于t i n ，涂层磨损的机制主要为粘结磨损、氧化磨损和 化学磨损。y e l o s t r o v s k a y a ，v e s t r e l n i t s k i j 1 8 】等对粼层在温度为7 7k 下的 液氮中的摩擦性能进行了研究，得出基体的性能对涂层的摩擦性能的影响较大， 在液氮中的摩擦系数较空气中的摩擦系数有所降低。k 九c j r u s s ，t z h e l e v a 1 9 】等 利用阴极弧沉积工艺在t i 基体上制备麟层刀具，硬度达n 2 7 6 5g p a ，厚度为4 5 l u n ，并指出z r n 涂层与基体之间的高残余应力来源于高的基体负偏压和高能量厅 离子的轰击，并受基体材料的物理性能影响较大，添加过渡层可以降低残余应力。 c j t a v a r e s 2 0 等用直流反应磁控溅射工艺制备t i n z r n 复合多层涂层，硬度达到 2 0 - - 2 6g p a ，结合力达到3 0 - - 8 5n 。 1 3 涂层刀具摩擦磨损研究 涂层的多种多样，被加工材料的差异，切削用量的变化，这些都给涂层的性 能试验带来困难，妨碍了涂层刀具的推广应用。因此，目前有必要根据涂层刀具 的失效形式，具体研究涂层刀具的磨损失效机理，以便真正弄清涂层对延长刀具 寿命和提高切削性能的主要机理，进而提高涂层刀具的耐磨损性能，这对广泛开 发应用涂层刀具是有重大意义的。 涂层在摩擦磨损中的早期失效主要是由涂层的分离、脱层、裂纹和剥落等引 起的。在涂层的磨损中，涂层和基体的性能以及涂层和基体的界面性能起着显著 的作用。涂层的选择必须与其使用的摩擦学特性相适应并能满足其使用条件下的 寿命极限。涂层在摩擦磨损中的摩擦磨损机制一般分为以下3 种 2 1 】： 第1 苹绪论 ( 1 ) 没有涂层损耗的摩擦磨损。这类摩擦磨损主要是零件几何形状或表面形 貌发生了永久的变化。在其中起主要作用的参数是涂层和基体材料的硬度、弹性 模量以及涂层的表面粗糙度。涂层的硬度是其耐表面磨损的重要性能参数，涂层 的韧性或断裂韧性是耐表面裂纹的重要性能参数 ( 2 ) 有涂层损耗的摩擦磨损。涂层工件的耐磨性主要与处于接触区内的涂层 性能有关。一旦涂层被磨掉，则基体承担起耐磨的作用。一般来讲，在摩擦学应 用领域特别需要涂层与基体问的牢固结合。 ( 3 ) 由涂抹造成涂层的摩擦磨损。涂抹的发生主要与涂层的表面粗糙度和摩 擦副工件问的化学亲和力有关。 1 3 1 “硬”涂层刀具的摩擦磨损研究 i t i n 涂层 t i n 陶瓷的硬度很高，耐磨性很好，是所有陶瓷中应用最广泛的涂层材料， 常用于刀具上。研究结果表明，t i n 涂层明显地降低了磨损，同时摩擦系数也有 所降低表1 4 为t i n 涂层与碳素钢摩擦时的摩擦磨损试验结果。 袭1 4 室温下t f l q 涂层与碳索钢摩擦时的试验结果啕 材料载荷 磨损量o n g ) 摩擦系数 未涂层 4 0 02 1 5 o 6 5 t 科2 0 0o 6 5o 5 5 2 t i a i n 涂层 国内外关于t i a i n 涂层的摩擦学性能做了大量的研究，大部分是以高速钢或 者其它钢质材料为基体的涂层摩擦学性能展开研究。 l u g s c h i d e r 等比较了于态加工条件下，( t i , a i ) n 、( t i ，z r ) n 、z r n 涂层刀具和 未涂层刀具的切削性能。如图1 4 所示，走到5m 后，( t i , a i ) n 切削刃磨损深度 为1 8 5g m ，z r n 和( t i ，z r ) n 分别为3 0g m 和2 3 5 岫1 ，而未涂层刀具走刀进给行 程只进行o 7m ，切削刃就出现了彻底破损。 j e o ng h a n 2 3 】等研究 t i a i n 涂, 层的高温摩擦性能。对磨件为a 1 2 0 3 球，滑动 9 山东大学硕士学位论文 速度0 3m s ，在4 0 0 - - 6 0 0 下，载荷0 4 k g , 摩擦行程2 k i n ，未涂层m 2 钢虽然由于 软化，摩擦系数较小( o 4 ) ，但其磨损量却达0 6 衄3 以上，而涂镀t 认1 n 涂层后，虽 然摩擦系数高达0 8 ，但在4 0 0 和5 0 0 时，磨损量为0 0 5m m 3 以下，远优于未涂 层基体，到6 0 0 时，涂层开始失效，磨损量达0 51 1 1 1 1 1 3 。s e m 形貌研究表明：6 0 0 基体的磨损主要表现为粘着和严重氧化迁移，塑性变形十分明显；而删涂层在 5 0 0 以下仍主要表现为磨粒磨损，降低了粘着，因此磨损量小，直到6 0 0 时， 在磨痕中部发现了明显的裂纹，涂层才开始失效。 a l 元素的加入对t i a i n 涂层性能起关键作用，但据研究，a l 对t i a l n 涂层 的耐磨性的作用却具有双重性。有利于提高耐磨性的因素有a l 的引入使涂层的整 体硬度大幅度提高：在磨损过程中表面几个原子层中a l 发生氧化，而a 1 2 0 3 具有 更高的硬度：舢含量增加，f e 与t i a i n 涂层之间的摩擦系数下降，减磨性能提 高；越的引入不破坏原膜层的化学稳定性。而不利于提高耐磨性的因素有：使涂 层的致密性下降，根据t h o r n t o n 理论，在4 5 0 镀膜时，涂层择优取向小，应力 松弛；灿含量增加时，涂层与基体之间的结合力下降，a 1 含量增大至一定程度时， 导致涂层早期失效。 4 。 - g 3 0 3 璺 l 2 0 茗 菡l o 0 0l23456 l e n g t ho f f e e d ( n o 图1 - 4 刀具的后刀面磨损量随走刀进给行程的变化曲线 3 z r n 涂层切削磨损失效机理 1 0 第1 章绪论 文献例研究了z r n 涂层刀具的主要失效形式是以剥层形式出现的塑变破裂 磨损，并存在微崩刃；未涂层刀具的主要失效形式主要是磨粒磨损与扩散磨损， 且磨损很严重。 z r n 涂层剥落机理是涂层和基体内部裂纹的产生与扩展。裂纹的产生是在切 削加工过程中，由于刀工、刀屑摩擦、刀具产生塑性变形，从而以位错塞积和位 错反应两种形式形成原始裂纹；另外，涂层材料之间、涂层材料与基体间热膨胀 系数不同，使得切削过程中，刀具均匀或不均匀受热时产生热应力，也是裂纹产 生和扩展的原因之一。原始裂纹产生之后，便进行扩展，如果涂层间原始裂纹亚 稳扩展，将导致涂层的剥落；如果原始裂纹较大或亚稳扩展到临界尺寸后，就会 失稳扩展，导致刀具崩刃破损，刀具在破损之前，同时会发生刀具磨损现象，刀 具最后的失效形式是疲劳剥落磨损还是崩刃破损，取决于亚稳和失稳的发展进程。 涂层剥落会对刀具磨损形态发生两方面的影响，一方面，小的剥层碎片进入刀一 工、刀一屑接触区，使刀具发生磨粒磨损，另一方面，涂层剥落后，刀具失去涂层 保护，摩擦特性急剧恶化，摩擦力增大，切削力和切削温度上升，加剧刀具的塑 性变形和扩散磨损，促进裂纹的产生和扩展，从而加剧涂层的剥落。当基体暴露 后，刀具磨损机理与未涂层刀具类似，粘着磨损和扩散磨损占主导地位，但其耐 磨性还是有显著高。 1 3 2 “软”涂层刀具的摩擦磨损研究 m o s 2 为层状结构的晶体，层间结合力很弱，极易发生层间剪切，当与其它材 料摩擦时，显示出低的摩擦系数，从而表现出自润滑性能。 图1 5 为m o s d t i “软”涂层刀具、m o s 2 “软”涂层刀具和未涂层刀具铣削 3 4 c r n i m 0 6 t 件时，每个刀具可铣削的工件材料体积，其f f - - 0 1m m r ，a d - l 5m l n 可见，m o s 2 t i “软”涂层刀具的寿命远高于m o s 2 “软”涂层刀具和未涂层刀具。 图1 - 6 为w c 托wm o s 2 “软”涂层刀具和w c c o 硬质合金刀具加工3 0 2 不 锈钢时，刀具后刀面磨损量对比，其中v = 1 0 3 1 8 0 m m i n ，f - - 0 1m m r ，a p = 0 2 5 h i m 。 可见，w c c o 硬质合金刀具切削1 8 0 0m 时，刀具后刀面磨损量v b 达到0 3 2 衄， 而w c c o m o s 2 “软”涂层刀具切削4 0 0 0m 时，刀具后刀面磨损量v b 只有0 3 山东大学硕士学位论文 n 】l n 。表1 5 为“软”涂层刀具的使用效果。 m o s 2 涂层可在刀具表面形成固体润滑膜，从而使刀具材料具有很低的摩擦系 数，由于具有层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较强的粘结能力，并且各层 之间有较低的剪切强度，在切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜会转移到 工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，在 固体润滑膜内部，从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减 小刀具磨损的目的。 星 兽 羁 越 陋 r 妲 球 r l o 8 0 1 2 51 6 12 0 02 5 0 切目0 速度m m h l 图l - 5 刀具可铣削的材料体积【2 5 1 o1 0 0 02 0 0 03 0 0 0 4 0 0 0 路程m 1 51 - 6 刀具后刀面磨损量对比【2 司 c日co_l藤肇婪葵篮器 第1 章绪论 表1 - 5。软一涂层刀具的使用效果【2 川 刀具试验条件 试验结果 未涂层硬质合金可转位面铣刀 “软”涂层铣刀的生产率比 m o s 2 。软”涂层的硬质合金可a i - c a - m g 合金 未涂层的铣刀提高了3 倍 转莅面铣刀 无涂层丝锥 无涂层丝锥能加工2 0 个孔， t i a i n 涂层丝锥a i - c u - m g 合金 t i a i n 涂层丝锥可加工1 0 0 0 m o s 24 软”涂层 个孔，而m o s 2 “软”涂层丝 锥可加工4 0 0 0 个螺孔 单涂层o i c 冬1 ) 硬质合金铣刀 净1 5 0 r m i n a p = 4 “软”涂层铣刀切削力明显 t i c n m o s - j r i 。软”涂层硬质 m m 。e 目0 0 4m m ，r 减少，加工表面质量显著提 合金铣刀工件：a 1 s i 3 0 4 不锈钢高 1 4 本课题研究的主要目的、意义及主要内容 1 4 1 存在的问题及课题的提出 涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破，对刀具进行涂层处理是提 高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具是近2 5 年来发展最快的新型刀具。目前工 业发达国家涂层刀具已占8 0 以上，数控机床上所有的切削刀具8 0 以上是涂层 刀具。 在实际应用中不可避免地会遇到摩擦磨损问题，摩擦学是科学与工程的主要 领域之一，也是当今最活跃的交叉科学之一，它对提高产品的可靠性，延长使用 寿命及节约材料和能源有着重要意义而涂层作为摩擦学构件和应用已成为当前国 际摩擦学研究的前沿课题之一，对z r n 涂层材料的摩擦、磨损和断裂及磨损机理 研究进行了不少的研究，但对涂层材料的摩擦学行为认识很不充分及摩擦理论还 没建立起来。本课题对影响涂层摩擦磨损的因素进行系统的研究。 1 3 山东大学硕士学位论文 1 4 2 本课题的主要研究内容 本课题结合国家自然科学基金项目和教育部新世纪优秀人才支持计划项目进 行，主要开展以下研究工作： ( 1 ) 分析z r n 系列涂层硬质合金刀具的膜基系统参数( 厚度、硬度、界面 结合强度) 和试验参数( 外载荷、滑动距离、滑动速度等) 对摩擦磨损特性的影 响，并与y t l 5 硬质合金刀具作对比研究，找出其规律，确定最佳的涂层厚度。 ( 2 ) 通过a n s y s 有限元软件对z r n 系列涂层硬质合金刀具涂层在不同摩擦 条件下的应力分布进行分析计算，找出最大应力值。 ( 3 ) 通过s e m 照片研究分析z r n 涂层刀具与4 5 # 钢在不同摩擦条件下摩擦 时的磨损机理。 1 4 第2 苹z r n 涂层刀具摩擦磨损特性的试验研究 第2 章z r n 涂层刀具摩擦磨损特性的试验研究 乃n 涂层作为耐磨涂层，具有硬度高、摩擦系数低与硬质合金的物理机械性能 参数差异小、良好的抗粘着磨损等特点。本文以山东大学研制开发的盈n 涂层刀具 与4 5 # 钢摩擦时的摩擦磨损特性进行详细的试验研究。 2 1z r n 涂层刀具的制备 2 1 1 基体的选择 本试验采用硬质合金y g 6 和y t l 5 作为基体，因为y g 6 和y t l 5 的物理机械 性能与z r n 的物理机械性能相差不大，这样涂层材料从制备到冷却至室温的过程 中，界面处产生的残余应力相对比较小，结合强度好。y g 6 和y t l 5 的物理机械 性能如表2 - 1 所示 表2 - i 硬质合金y g 6 和y t l 5 的物理机械性能口1 】 材料密度 热导率( 2 0 )热膨胀系数( 2 0 ) 弹性模量泊松比 ( g c m 3 )( w x ( m k ) 1 ) ( 1 0 4 k - 1 )( g p a ) y g 6 1 4 8 07 9 6 0 4 5 0 6 3 5o 2 6 y t l 51 1 5 03 3 5 06 5 15 2 50 2 5 2 1 2 过渡层的选择 硬质合金基体上沉积z r n 涂层，为了进一步减少在制各过程中产生的热残余 应力，提高膜基结合力，有必要在中间加入一个过渡层，这一过渡层的选择必须 满足三个条件：第一，和基体以及涂层都要有良好的附着性能；第二，和基体的 结合应该大于和涂层的结合，否则涂层本身就失去了存在的意义；第三，过渡层 材料的热膨胀系数应该处在基体和涂层之间，这样才能真正起到一个缓冲度的作 用。我们选择纯压作为过渡层，是因为它能满足过渡层的三个条件。过渡层厅 的物理机械性能如表2 2 所示 山东大学硕士学位论文 表2 - 2 过渡层z r 的物理机械性能f 3 2 】 材料密度 热导率( 2 0 )热膨胀系数( 2 0 ) 弹性模量泊松比 ( 舭对) ( w xo n x k ) - 1 ) ( 1 0 - c , k - )( g p a ) z r6 5 l2 2 7 05 7 89 80 | 3 8 2 1 3 涂层工艺 用脉冲偏压辅助沉积电弧离子镀与离予轰击相结合工艺在硬质合金基体上沉 积z r n 涂层。离子镀膜之前，硬质合金刀片用金刚石研磨膏抛光，经无水酒精和 丙酮各超声波清洗1 5r a i n 后干燥放进镀膜室。镀膜设备采用大连远东真空溅射镀 膜机。镀膜时，在真空度为7 x l o - 3 m p a 下，将真空室加热至2 5 0 ，保温2 0 r a i n 。 试样在偏压7 0 0v 下经a t + 清洗，以除去刀片上的附着物，使基片达到所要求的 清洁度，因为在真空状态下进行，可保持基片露出新鲜清洁的表面。镀膜时由压 强控制仪控制工作气体a r ，质量流量计控制反应气体n 2 流量。沉积时间为6 0m i l l 。 2 2z r n 涂层刀具的性能测试 2 2 1 维氏硬度的测量 涂层试样制备完成后在m h - 6 型维氏硬度计上测量其硬度考虑到涂层试样 的厚度较小，只有几个微米，所以显微硬度测试仪所选用的载荷应尽量小。维氏 硬度试验是用对面角为1 3 6 。的金刚石四棱体作为压头，在5 0g 载荷作用下，压入 涂层表面，保压5s 后，卸去载荷。在光学显微镜下，测量压痕对角线的长度。 维氏硬度计算公式为： 刀y ：1 8 5 4 4 p ( 2 1 ) d 式中：p 为试验载荷西；d 为压痕对角线长度( m m ) ；上形的单位为( g p a ) 。试样 的硬度取6 个压痕测量结果的平均值。 1 6 第2 章z r n 涂层刀具摩擦磨损特性的试验研究 2 2 2 结合力的测定 涂层的结合力采用划痕法来评定，本文划痕试验是在中国科学院兰州化学物 理研究所研制的m f t - 4 0 0 0 多功能材料表面性能试验机上进行的。该划痕试验机 由自动加载划痕系统、声发射监听记录装置以及控制微机组成。试验过程采用连 续加载方式，划痕长度为2 - - 5 0m m ，加载速率为2