TiN、TiAlN摩擦磨損特性及其涂層刀具、齒輪的性能研究.pdf

1、陶瓷涂層作為一種具有極高硬度的材料，在不改變基體外形和尺寸的前提下，通過(guò)一定方法沉積在基體表面，能夠有效改善基體的耐磨性能、力學(xué)性能和使用壽命等。隨著表面工程技術(shù)的快速發(fā)展，高性能陶瓷涂層的制備技術(shù)逐漸豐富，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，使用高性能陶瓷涂層的裝置和零部件也越來(lái)越多。其中，TiN和TiAlN陶瓷涂層具有較低的摩擦系數(shù)、較高的熔點(diǎn)和硬度以及良好的耐磨性能等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械和微電子等工業(yè)領(lǐng)域，成為國(guó)內(nèi)外硬質(zhì)涂層材料研究的熱點(diǎn)。

2、>　　本文采用PVD技術(shù)分別在40Cr鋼試片、YT15硬質(zhì)合金刀具和齒輪表面沉積了TiN和TiAlN涂層，并進(jìn)行了以下試驗(yàn):(1)以304不銹鋼球?yàn)槟Σ僚涓?，?duì)40Cr鋼表面的TiN和TiAlN涂層進(jìn)行了干式往復(fù)滑動(dòng)試驗(yàn)，研究法向載荷對(duì)涂層摩擦系數(shù)的影響，分析磨痕形貌和磨損機(jī)理;(2)采用未涂層刀具以及TiN和TiAlN涂層刀具對(duì)調(diào)質(zhì)40Cr鋼進(jìn)行干切削試驗(yàn)，測(cè)量其在不同切削參數(shù)下的切削力和不同切削速度下的工件表面粗糙度值;(3)采用田

3、口方法建立以切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量為設(shè)計(jì)變量，以表面粗糙度為輸出特性指標(biāo)的切削試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)40Cr鋼進(jìn)行涂層刀具正交干切削試驗(yàn)，獲取TiN和TiAlN涂層刀具最優(yōu)的切削參數(shù);(4)采用Deform3D軟件對(duì)涂層刀具的切削過(guò)程進(jìn)行有限元分析，得到涂層刀具在不同切削速度下應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和切削力的分布及變化規(guī)律，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比;(5)采用掃描電鏡對(duì)切削試驗(yàn)后TiN和TiAlN涂層刀具的磨損區(qū)域進(jìn)行微觀觀察，并進(jìn)行EDS分析，探討涂層

4、刀具的磨損形態(tài)和磨損機(jī)理;(6)對(duì)TiN和TiAlN涂層沉積后的齒輪進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，分析齒輪涂層對(duì)齒輪傳動(dòng)效率和耐磨性能的影響。以上研究表明:
　　(1) TiN涂層的摩擦系數(shù)隨法向載荷的增大而減小，且曲線較為平穩(wěn);TiAlN涂層的摩擦系數(shù)隨法向載荷的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且曲線波動(dòng)較大。TiN和TiAlN涂層在低載荷時(shí)的磨損機(jī)理主要是磨粒磨損，較高載荷時(shí)的磨損機(jī)理則是氧化磨損、磨粒磨損和粘結(jié)磨損共存。
　　(2)在相同

5、的切削參數(shù)下，三種刀具的切削力和加工表面粗糙度由小到大的排序是:TiAlN涂層刀具＜TiN涂層刀具＜YT15刀具。
　　(3)以表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，TiN涂層刀具最優(yōu)切削參數(shù)水平為切削速度120m/min，進(jìn)給量0.1mm/r，背吃刀量0.8mm，此時(shí)表面粗糙度為Ra1.85μm; TiAlN涂層刀具最優(yōu)切削參數(shù)水平為切削速度190m/min，進(jìn)給量0.1mm/r，背吃刀量0.8mm，此時(shí)表面粗糙度為Ra1.27μm。

6、　　(4)有限元仿真結(jié)果顯示刀尖刃前區(qū)的應(yīng)力最為集中和復(fù)雜，該應(yīng)力隨著切削速度的增大而增大，說(shuō)明刀尖是最易磨損的部位。仿真預(yù)測(cè)的切削溫度場(chǎng)的分布和切屑的成形過(guò)程與金屬切削理論吻合，預(yù)測(cè)的主切削力與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為8.3％，最小誤差為5.1％。
　　(5)切削試驗(yàn)后，兩種涂層刀具的前刀面和后刀面均有不同程度的磨損。TiN涂層刀具的主要磨損形態(tài)和磨損機(jī)理是前刀面的月牙洼磨損和主后刀面的粘結(jié)磨損、磨粒磨損，其中前刀面的月牙洼磨損較為