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涂层和基体对PVD涂层硬质合金刀具高速车削高温合金的影响

【摘要】:高速、高效切削加工高温合金等难加工材料是刀具工业面临的重大课题。新的涂层材质和适配的硬质合金基体是实现高温合金高速切削的重要途径。 针对这一发展需要,本文采用阴极弧蒸发沉积技术,在Co含量不同的硬质合金基体上分别沉积了新型AlTiN和TiAlSiN PVD涂层,制备了不同材质的涂层硬质合金刀具。采用高温硬度计、纳米硬度计、微米划痕检测仪以及热常数仪分别测定了硬质合金基体的常温与高温硬度、PVD涂层硬质合金的纳米硬度、涂层与基体的结合强度以及硬质合金基体的导热性能,研究涂层种类以及基体Co含量的变化对涂层硬质合金刀具基本性能的影响;进行了不同PVD涂层和不同基体的刀具高速车削镍基高温合金的实验,并开展了对应切削过程的有限元仿真模拟,研究了刀具材质对切削过程的影响,揭示了涂层与基体基本性能对切削过程以及刀具失效机理的影响;得出以下结论: 1.TiAlSiN涂层的纳米硬度高于AlTiN涂层的纳米硬度,TiAlSiN涂层与基体的结合强度高于AlTiN涂层; 2.Co含量由10%降低到6%时,WC-Co硬质合金基体的热导率由62.78W.m/℃升高到84.57W·m/℃;同一温度下的高温维氏硬度提高10%左右,并且硬质合金的硬度随温度升高而降低。 3.切削过程有限元模拟表明,相同涂层的涂层硬质合金刀具高速切削高温合金时,基体导热系数越高,涂层刀具的切削温度越低,温度梯度越小;当涂层刀具的基体相同时,涂层的导热系数越高,涂层刀具的切削温度越高,温度梯度越大; 4. CC10-A(10%Co硬质合金基体+AlTiN涂层)和CC6-A(6%Co硬质合金基体+AlTiN涂层)刀片湿式高速车削高温合金的磨损机理为切削刃的粘结磨损与氧化磨损以及后刀面的粘结磨损与磨粒磨损。CC10-A刀片切削刃与后刀面磨损迅速,而CC6-A刀片后刀面的磨损均匀,磨损速度低,切削寿命是CC10-A刀片的3倍。 5.干式高速车削高温合金时PVD TiAlSiN涂层硬质合金刀具的切削寿命大于PVD AlTiN涂层硬质合金刀具的寿命。VC6-A (6%Co硬质合金基体+AlTiN涂层)刀片的失效机理是高温作用下氧化与扩散作用为主,粘结作用为辅所造成的前刀面靠近切削刃部位的均匀粘结磨损、后刀面沟槽磨损和积屑瘤粘结剥离磨损;VC6-T (6%Co硬质合金基体+TiAlSiN涂层)刀片的失效机理是高温、高压条件下粘结磨损引发的积屑瘤的生成与剥离。

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