阴极弧离子镀AlCrN涂层组织与摩擦磨损性能研究

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1、学号：12105109常州大学硕士学位论文阴极弧离子镀AlCrN涂层组织与摩擦磨损性能研究研究生付贵忠指导老师孔德军学科、专业名称机械制造及其自动化研究方向刀具表面改性处理2015年6月ResearchonMicrostructureandFriction-wearpropertiesofAlCrNcoatingbyCathodicArcPlatingADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByFuGui-Zhong(MechanicalManufacturingandAutomation)Dis

2、sertationSupervisor:AssociateProf.KongDe-junJune，2015中文摘要本研究课题来源于江苏省科技支撑计划(工业)(BE2012066)：航空大型数控装备用超大型齿圈精密制造关键技术研究，提出利用AlCrN刀具涂层可以提高切削加工效率和精度。常用的涂层有TiC与TiN，它们存在硬度低，摩擦系数大，工作温度低等缺点。AlCrN涂层硬度高，摩擦系数小，可以经受900~1000℃的高温。目前系统地研究AlCrN涂层微观几何形貌、涂层-基体结合机制、高温氧化及摩擦性能较少，因此本文对AlCrN涂层的组织结构及

3、性能进行了深入的研究，为提高AlCrN涂层刀具的应用水平提供参考。主要结论和创新成果如下：(1)利用阴极离子镀法在TiC基金属陶瓷刀具上制备了AlCrN涂层，用AFM观察了3D形貌，获得了表面粗糙度相关评定参数。结果表明：涂层表面致密，相对平整，与基体结合紧密。TiC基体与AlCrN涂层的表面粗糙度Sa值分别为63.7nm和135nm；AlCrN涂层表面高度值相对分散，支承系数大；AlCrN涂层平均颗粒直径710nm，TiC刀具基体1460nm；AlCrN涂层和TiC基体功率谱分布无规律，材料表面均表现为各向异性。TiC基体的表面轮廓和AlC

4、rN涂层的没有确定的相互关系。(2)通过SEM、XRD和EDS对AlCrN涂层的物相组成表面界面元素含量及分布进行了研究，并对其界面冶金结合机理进行了探讨。结果表明：涂层中除了AlN相与CrN相，还有少量的TiC(N)相和Ni相；AlCrN涂层表面Al含量高，有利于提高耐磨性；Ti、C、N、Al元素发生了扩散，在界面处形成冶金结合，结合力为83N。(3)利用摩擦磨损试验研究TiC基刀具和AlCrN涂层摩擦因数变化和磨损机制。结果表明：AlCrN涂层比TiC基金属陶瓷刀具摩擦因数降低了约25%，随着载荷的增大，表现为摩擦因数减小；TiC基金属陶

5、瓷刀具磨损机制为疲劳磨损+磨粒磨损+氧化磨损；AlCrN涂层磨损机制为磨粒磨损+氧化磨损。(4)利用高温氧化试验分析了AlCrN涂层耐高温氧化性能，利用光电子能谱仪(XPS)分析了氧化前后各元素的结合能变化。结果表明：900℃I高温氧化后AlCrN涂层全部被氧化，生成Al2O3+Cr2O3，这些硬质相仍有一定的保护作用；氧化前后的XPS结果都存在Al2p峰、Cr2p峰、O1s峰、N1s峰和标定峰C1s；氧化前Al2p峰对应的结合能为74.3eV，对应的化学键是Al-N键，Cr2p3/2与Cr2p1/2的结合能分别是578.3eV与587.0e

6、V，对应的化学键是Cr-N键，N1s峰的对应的结合能是400.0eV；900℃高温氧化后，Al2p的结合能为74.3eV，对应的化学键是Al-O和Al-Al键，Cr2p3/2与Cr2p1/2的结合能分别是587.3与576.9eV，对应的化学键是Cr-O键，N1s峰对应的结合能是400.0eV。氧化后与原始状态3+相比，对应Cr的Cr2p1/2峰结合能增大了0.3eV，是由于与Cr相化合O元素的电负性比N的电负性大所致。(5)利用900℃高温磨损试验研究了涂层的耐高温磨损行为。利用SEM观察了磨损形貌，用EDS和XRD分析了磨损前后元素和物相

7、的变化，讨论了载荷对涂层摩擦因数和磨损性的影响。结果表明：经900℃高温氧化后，AlCrN涂层被氧化生成Al2O3和Cr2O3；在载荷600g、800g和1000g时，平均摩擦因数值分别是0.145、0.394和0.418；在涂层高温磨损时，磨损部位中产生了大量的氧化物，表现为氧化磨损，伴随着磨粒磨损+黏着磨损。关键词：TiC基金属陶瓷刀具；AlCrN涂层；微观形貌；界面扩散；高温氧化性能；磨损性能IIABSTRACTThistopiccomesfromtheScienceandTechnologySupportProgramofJiangs

8、uProvince(Industry)(BE2012066):Researchonthekeyprecisionmanufacturingtechnologyofu