ZrN涂層刀具的設(shè)計(jì)開發(fā)及其切削性能研究.pdf

1、本文利用脈沖偏壓輔助沉積電弧離子鍍與離子轟擊相結(jié)合的工藝制備出了以硬質(zhì)合金為基體的ZrN系列涂層刀具，并對(duì)其涂層結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)理論、涂層工藝、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、摩擦磨損特性及切削性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。 建立了基于殘余熱應(yīng)力的涂層與基體材料的物理相容性分析模型，采用熱-應(yīng)力耦合方法深入分析了基體材料的物理性能參數(shù)及涂層沉積溫度對(duì)涂層刀具系統(tǒng)殘余熱應(yīng)力的影響及其分布規(guī)律，研究表明：熱膨脹系數(shù)、彈性模量和涂層的沉積溫度對(duì)ZrN涂層刀

2、具殘余熱應(yīng)力的影響較大，而泊松比對(duì)殘余熱應(yīng)力的影響較小。得出了與ZrN涂層相匹配的硬質(zhì)合金的物理性能參數(shù)范圍：熱膨脹系數(shù)6-7.5×10<'-6>/K；彈性模量取值范圍400-600 GPa。確定了與ZrN'涂層匹配最佳的基體材料為硬質(zhì)合金YT15。分析了過渡層對(duì)涂層刀具殘余熱應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：添加過渡層能有效降低涂層與基體界面的應(yīng)力大小和應(yīng)力梯度；添加Ti過渡層的ZrN涂層刀具的殘余應(yīng)力大于添加zr過渡層的涂層刀具。 利用

3、脈沖偏壓輔助沉積電弧離子鍍與離子轟擊相結(jié)合的工藝研制成功具有高硬度和高膜基結(jié)合強(qiáng)度的DZ(zrN+硬質(zhì)合金)、GZZ(ZrN/Zr+硬質(zhì)合金)和FZT(ZrN/TiN/Zr+硬質(zhì)合金)三種涂層刀具。試驗(yàn)確定了ZrN系列涂層刀具的最佳工藝參數(shù)，即：基體負(fù)偏壓-300 V；Zr靶弧電流值90A；Ti靶弧電流值80A：氮?dú)饬髁?00 sccm；時(shí)間55-75 min；最佳沉積溫度250℃。對(duì)ZrN系列涂層刀具的前處理工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表

4、明：采用拋光或者噴砂前處理均能改善涂層與基體之間的界面結(jié)合。經(jīng)過拋光前處理的涂層刀具的界面結(jié)合形態(tài)介于平界面形態(tài)與擴(kuò)散界面之間：經(jīng)過噴砂處理的涂層刀具的界面結(jié)合形態(tài)為擴(kuò)散界面和機(jī)械咬合界面交互作用的界面形態(tài)。 全面系統(tǒng)地研究了DZ、GZZ、FZT涂層刀具的物理機(jī)械性能。DZ-1涂層刀具的顯微硬度最高，達(dá)到28.0 GPa，結(jié)合力為68 N。GZZ-1和FZT-1涂層刀具的結(jié)合力較大，分別達(dá)到72.6和73.5 N，顯微硬度較DZ

5、-1涂層刀具稍低，為27.0和26.6 GPa；GZZ-1涂層刀具的涂層厚度最高，為5.4μm。DZ-1和FZT-1涂層的厚度分別為4.2μm和3μm。通過對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的觀察分析可知用脈沖偏壓輔助沉積電弧離子鍍與離子轟擊相結(jié)合的工藝制備的ZrN涂層結(jié)構(gòu)致密，元素分布均勻，涂層刀具的界面結(jié)合緊密，涂層與基體之間有擴(kuò)散層存在。系統(tǒng)研究了ZrN涂層刀具材料摩擦磨損性能，探討了載荷、轉(zhuǎn)速、摩擦距離及涂層結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦磨損性能的影響。研究表明：ZrN涂

6、層刀具材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增大呈下降趨勢(shì)，磨損率隨載荷的增大呈上升趨勢(shì)：ZrN涂層刀具材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨摩擦速度的增大呈下降趨勢(shì)。在相同條件下，F(xiàn)ZT-1涂層刀具材料的摩擦系數(shù)、磨損率較DZ-1和GZZ-1略高。在低速下，試塊與試環(huán)摩擦主要是以局部的微顆粒斷續(xù)機(jī)械撞擊為主，會(huì)導(dǎo)致涂層的微剝落，剝落的高硬度細(xì)小晶粒在摩擦區(qū)阻礙了兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而導(dǎo)致摩擦系數(shù)較大，磨損率較大；而高速時(shí)參與摩擦的接觸面積驟增，提高了磨損面的接觸

7、剛度，摩擦形式轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的機(jī)械摩擦力，因此摩擦系數(shù)相對(duì)較小，磨損率降低。ZrN涂層刀具材料的摩擦系數(shù)隨摩擦距離的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在摩擦距離1000 m左右出現(xiàn)突然上升，分析表明，此時(shí)涂層出現(xiàn)剝落。在低速時(shí)ZrN涂層刀具的磨損以剝落磨損為主，磨損率較高。三種涂層試樣的耐磨性順序?yàn)椋篏ZZ-1>DZ-1>FZT-1。 對(duì)ZrN涂層刀具的切削性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與無涂層的YT15刀具和CN25涂層刀具進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：加工45＃