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ZrN涂层刀具的设计开发及其切削性能研究

【摘要】: 本文利用脉冲偏压辅助沉积电弧离子镀与离子轰击相结合的工艺制备出了以硬质合金为基体的ZrN系列涂层刀具,并对其涂层结构、设计理论、涂层工艺、力学性能、微观结构、摩擦磨损特性及切削性能进行了系统深入的研究。 建立了基于残余热应力的涂层与基体材料的物理相容性分析模型,采用热-应力耦合方法深入分析了基体材料的物理性能参数及涂层沉积温度对涂层刀具系统残余热应力的影响及其分布规律,研究表明:热膨胀系数、弹性模量和涂层的沉积温度对ZrN涂层刀具残余热应力的影响较大,而泊松比对残余热应力的影响较小。得出了与ZrN涂层相匹配的硬质合金的物理性能参数范围:热膨胀系数6-7.5×10~(-6)/K;弹性模量取值范围400-600 GPa。确定了与ZrN涂层匹配最佳的基体材料为硬质合金YT15。分析了过渡层对涂层刀具残余热应力的影响,结果表明:添加过渡层能有效降低涂层与基体界面的应力大小和应力梯度;添加Ti过渡层的ZrN涂层刀具的残余应力大于添加Zr过渡层的涂层刀具。 利用脉冲偏压辅助沉积电弧离子镀与离子轰击相结合的工艺研制成功具有高硬度和高膜基结合强度的DZ(ZrN+硬质合金)、GZZ(ZrN/Zr+硬质合金)和FZT(zrN/TiN/Zr+硬质合金)三种涂层刀具。试验确定了ZrN系列涂层刀具的最佳工艺参数,即:基体负偏压-300 V;Zr靶弧电流值90 A;Ti靶弧电流值80 A;氮气流量100 sccm;时间55-75 min;最佳沉积温度250℃。对ZrN系列涂层刀具的前处理工艺进行了实验研究。结果表明:采用抛光或者喷砂前处理均能改善涂层与基体之间的界面结合。经过抛光前处理的涂层刀具的界面结合形态介于平界面形态与扩散界面之间;经过喷砂处理的涂层刀具的界面结合形态为扩散界面和机械咬合界面交互作用的界面形态。全面系统地研究了DZ、GZZ、FZT涂层刀具的物理机械性能。DZ-1涂层刀具的显微硬度最高,达到28.0 GPa,结合力为68 N。GZZ-1和FZT-1涂层刀具的结合力较大,分别达到72.6和73.5 N,显微硬度较DZ-1涂层刀具稍低,为27.0和26.6 GPa;GZZ-1涂层刀具的涂层厚度最高,为5.4μm。DZ-1和FZT-1涂层的厚度分别为4.2μm和3μm。通过对微观结构的观察分析可知用脉冲偏压辅助沉积电弧离子镀与离子轰击相结合的工艺制备的ZrN涂层结构致密,元素分布均匀,涂层刀具的界面结合紧密,涂层与基体之间有扩散层存在。 系统研究了ZrN涂层刀具材料摩擦磨损性能,探讨了载荷、转速、摩擦距离及涂层结构对摩擦磨损性能的影响。研究表明:ZrN涂层刀具材料的摩擦系数随载荷的增大呈下降趋势,磨损率随载荷的增大呈上升趋势;ZrN涂层刀具材料的摩擦系数和磨损率随摩擦速度的增大呈下降趋势。在相同条件下,FZT-1涂层刀具材料的摩擦系数、磨损率较DZ-1和GZZ-1略高。在低速下,试块与试环摩擦主要是以局部的微颗粒断续机械撞击为主,会导致涂层的微剥落,剥落的高硬度细小晶粒在摩擦区阻碍了两者之间的相对运动,因而导致摩擦系数较大,磨损率较大;而高速时参与摩擦的接触面积骤增,提高了磨损面的接触刚度,摩擦形式转变为连续的机械摩擦力,因此摩擦系数相对较小,磨损率降低。ZrN涂层刀具材料的摩擦系数随摩擦距离的增加呈现上升趋势,在摩擦距离1000 m左右出现突然上升,分析表明,此时涂层出现剥落。在低速时ZrN涂层刀具的磨损以剥落磨损为主,磨损率较高。三种涂层试样的耐磨性顺序为:GZZ-1>DZ-1>FZT-1。 对ZrN涂层刀具的切削性能进行了试验研究,并与无涂层的YT15刀具和CN25涂层刀具进行对比。结果表明:加工45#淬火钢时,刀具后刀面磨损量由大到小顺序为YT15>FZT-1>DZ-1>GZZ-1;加工淬硬40Cr时,ZrN涂层刀具后刀面磨损量较CN25涂层刀具稍小。ZrN涂层刀具前刀面的主要磨损形式表现为粘结磨损和涂层剥落,后刀面的主要磨损形式为磨料磨损,三种磨损形式可能会同时发生,并相互影响。

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