陰極弧離子鍍AlCrN涂層組織與摩擦磨損性能研究.pdf

1、本研究課題來源于江蘇省科技支撐計劃(工業(yè))(BE2012066)：航空大型數(shù)控裝備用超大型齒圈精密制造關(guān)鍵技術(shù)研究，提出利用AlCrN刀具涂層可以提高切削加工效率和精度。常用的涂層有TiC與TiN，它們存在硬度低，摩擦系數(shù)大，工作溫度低等缺點。AlCrN涂層硬度高，摩擦系數(shù)小，可以經(jīng)受900~1000℃的高溫。目前系統(tǒng)地研究AlCrN涂層微觀幾何形貌、涂層-基體結(jié)合機制、高溫氧化及摩擦性能較少，因此本文對AlCrN涂層的組織結(jié)構(gòu)及性能進

2、行了深入的研究，為提高AlCrN涂層刀具的應(yīng)用水平提供參考。主要結(jié)論和創(chuàng)新成果如下：
　　(1)利用陰極離子鍍法在TiC基金屬陶瓷刀具上制備了AlCrN涂層，用AFM觀察了3D形貌，獲得了表面粗糙度相關(guān)評定參數(shù)。結(jié)果表明：涂層表面致密，相對平整，與基體結(jié)合緊密。TiC基體與AlCrN涂層的表面粗糙度Sa值分別為63.7nm和135nm；AlCrN涂層表面高度值相對分散，支承系數(shù)大；AlCrN涂層平均顆粒直徑710nm，TiC刀具基

3、體1460nm；AlCrN涂層和Ti C基體功率譜分布無規(guī)律，材料表面均表現(xiàn)為各向異性。Ti C基體的表面輪廓和AlCrN涂層的沒有確定的相互關(guān)系。
　　(2)通過SEM、XRD和EDS對AlCrN涂層的物相組成表面界面元素含量及分布進行了研究，并對其界面冶金結(jié)合機理進行了探討。結(jié)果表明：涂層中除了AlN相與CrN相，還有少量的TiC(N)相和Ni相；AlCrN涂層表面 Al含量高，有利于提高耐磨性；Ti、C、N、Al元素發(fā)生了擴

4、散，在界面處形成冶金結(jié)合，結(jié)合力為83N。
　　(3)利用摩擦磨損試驗研究 TiC基刀具和 AlCrN涂層摩擦因數(shù)變化和磨損機制。結(jié)果表明：AlCrN涂層比 TiC基金屬陶瓷刀具摩擦因數(shù)降低了約25％，隨著載荷的增大，表現(xiàn)為摩擦因數(shù)減小；TiC基金屬陶瓷刀具磨損機制為疲勞磨損+磨粒磨損+氧化磨損；AlCrN涂層磨損機制為磨粒磨損+氧化磨損。
　　(4)利用高溫氧化試驗分析了 AlCrN涂層耐高溫氧化性能，利用光電子能譜儀(X

5、PS)分析了氧化前后各元素的結(jié)合能變化。結(jié)果表明：900℃高溫氧化后AlCrN涂層全部被氧化，生成Al2O3+Cr2O3，這些硬質(zhì)相仍有一定的保護作用；氧化前后的 XPS結(jié)果都存在 Al2p峰、Cr2p峰、O1s峰、N1s峰和標(biāo)定峰C1s；氧化前Al2p峰對應(yīng)的結(jié)合能為74.3eV，對應(yīng)的化學(xué)鍵是 Al-N鍵，Cr2p3/2與 Cr2p1/2的結(jié)合能分別是578.3eV與587.0eV，對應(yīng)的化學(xué)鍵是Cr-N鍵，N1s峰的對應(yīng)的結(jié)合能是

6、400.0eV；900℃高溫氧化后，Al2p的結(jié)合能為74.3eV，對應(yīng)的化學(xué)鍵是 Al-O和Al-Al鍵，Cr2p3/2與Cr2p1/2的結(jié)合能分別是587.3與576.9eV，對應(yīng)的化學(xué)鍵是Cr-O鍵，N1s峰對應(yīng)的結(jié)合能是400.0eV。氧化后與原始狀態(tài)相比，對應(yīng)Cr3+的Cr2p1/2峰結(jié)合能增大了0.3eV，是由于與Cr相化合O元素的電負性比N的電負性大所致。
　　(5)利用900℃高溫磨損試驗研究了涂層的耐高溫磨損行為