WS2-WS2-Ti-TiSiN軟硬復(fù)合涂層刀具的制備及其性能研究.pdf

1、本文將硬涂層的耐磨性和軟涂層的減摩性有機結(jié)合，提出了軟硬復(fù)合涂層刀具的設(shè)計思路，通過對硬涂層和軟涂層制備關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)出了WS2-WS2/Ti-TiSiN軟硬復(fù)合涂層刀具，系統(tǒng)地研究了該軟硬復(fù)合涂層刀具的微觀結(jié)構(gòu)、物理機械性能、摩擦磨損特性以及切削性能，分析并揭示了其減摩與抗磨機理。
　　在對界面結(jié)合特點分析的基礎(chǔ)上，提出了軟硬復(fù)合涂層的設(shè)計原則，確定了軟硬復(fù)合涂層的材料體系:硬涂層材料為具有高硬度和高耐磨性的TiSiN，軟

2、涂層材料為具有良好減摩性的WS2。運用吉布斯自由能函數(shù)法和有限元法對軟硬復(fù)合涂層刀具的物理相容性和化學(xué)相容性進行了分析，結(jié)果表明:YT15和YS8硬質(zhì)合金材料與TiSiN層間殘余熱應(yīng)力較低，匹配性好;TiSiN層與基體間Ti-TiN結(jié)構(gòu)的過渡層，可避免結(jié)合界面硅化物的生成，同時又可降低涂層的殘余熱應(yīng)力;TiSiN層與WS2層間WS2/Ti復(fù)合層的存在有利于提高WS2層的結(jié)合力。最終，涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計為:WS2-WS2/Ti-TiSiN-基

3、體。
　　采用多弧離子鍍和中頻磁控濺射共沉積技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上沉積了TiSiN硬涂層，研究了不同工藝參數(shù)對涂層性能影響。結(jié)果表明:TiSiN涂層中Si含量的多少對涂層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度等有著決定性影響，在Si靶電流4A、Ti靶電流65A、N2流量180sccm、偏壓-150V時，Si含量為～8at.％，此時硬度可高達～35.6GPa。由于TiSiN沉積過程中多弧Ti靶與磁控Si靶的離化率不同，試樣表面出現(xiàn)了明顯的“邊緣效應(yīng)”，邊緣

4、處Si元素含量與中心處有較大的差別，減小Ti靶電流、降低負(fù)偏壓、增大N2流量能使邊緣效應(yīng)減弱。為了減弱邊緣效應(yīng)，并同時保證涂層有較好的力學(xué)性能，優(yōu)化得到的TiSiN涂層最佳工藝參數(shù)為:Si靶電流4A、Ti靶電流65A、N2流量180sccm、偏壓-80V。采用中頻磁控濺射技術(shù)與多弧離子鍍制備了WS2軟涂層，研究了靶電流、沉積溫度、沉積時間等工藝參數(shù)對涂層性能的影響，并確定了最佳參數(shù):WS2靶電流1A、沉積溫度200℃、沉積時間100mi

5、n。最后，結(jié)合以上TiSiN涂層、WS2涂層的最佳制備參數(shù)，通過兩步法，制備出WS2-WS2/Ti-TiSiN軟硬復(fù)合涂層。
　　在YT15硬質(zhì)合金盤上制備了WS2-WS2/Ti-TiSiN(WTT)、WS2-TiSiN(WT)兩種軟硬復(fù)合涂層，并與TiSiN硬涂層(TN)、硬質(zhì)合金基體(JT)作對比，系統(tǒng)研究了其干摩擦條件下的摩擦磨損特性。結(jié)果表明:軟涂層磨破后，兩種軟硬復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)均快速升高，但始終低于JT和TN硬涂層;

6、與WT涂層相比，WTT涂層的低摩擦系數(shù)階段更長;通過測量磨斑大小，發(fā)現(xiàn)WT涂層對磨球磨損率比TN涂層的下降了約5％～63％，而WTT涂層對磨球磨損率相較于TN涂層的下降了90％以上;通過磨痕的分析發(fā)現(xiàn)，TN涂層和WT涂層磨痕中均出現(xiàn)大量Fe的粘結(jié)，而WTT涂層磨痕中依然存在大量WS2，幾乎未出現(xiàn)粘結(jié)磨損。以上說明WTT涂層擁有最佳的減摩性，原因在于:WS2/Ti層的過渡作用增強了WS2層的附著力，使更多的WS2參與到摩擦過程中，形成轉(zhuǎn)移

7、膜;WS2/Ti層在擁有一定耐磨性的同時，還具有良好的減摩性，有效延長了軟涂層的減摩作用。
　　用YS8硬質(zhì)合金刀具(JS)，和以之為基體的TN涂層刀具、WT涂層刀具、WTT涂層刀具進行了淬火45鋼的干切削試驗，結(jié)果表明:WTT涂層刀具的切削力、切削溫度、前刀面刀屑摩擦系數(shù)和已加工表面粗糙度明顯低于其他三種刀具;三種涂層刀具前刀面及后刀面磨損明顯低于JS刀具;相比于TN涂層刀具，WT、WTT軟硬復(fù)合涂層刀具能有效降低前刀面Fe的粘

8、結(jié)，減少后刀面涂層的剝落;相比于WT涂層刀具，WTT涂層刀具軟涂層磨損區(qū)域要小的多。
　　分析了WTT軟硬復(fù)合涂層刀具減摩和抗磨機理。WTT涂層刀具擁有最低的切削力、切削溫度等主要得益于三個方面:WS2低剪切強度使內(nèi)摩擦區(qū)域得到充分潤滑;TiSiN層表面缺陷對WS2有儲存作用，在軟涂層磨損后，還可以發(fā)揮一定減摩效果;WS2/Ti層的存在提高了軟涂層與TiSiN層的結(jié)合強度，增長了軟涂層的潤滑作用時間。同時，WTT涂層刀具還具有較高