面向难加工材料新型AlCrN基刀具涂层的制备及性能研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）面向难加工材料新型AlCrN基刀具涂层的制备及性能研究黎海旭二○一八年五月分类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2111501036广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）面向难加工材料新型AlCrN基刀具涂层的制备及性能研究黎海旭指导教师姓名、职称：王启民教授学科(专业)或领域名称：机械工程学生所属学院：机电工程学院论文答辩日期：2018年5月ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster

2、（MasterofEngineeringScience）InvestigationonpreparationandperformanceofAlCrN-basedcoatingsusingformachiningofdifficult-to-cutmaterialsCandidate:LiHaixuSupervisor:WangQiminMay2018SchoolofElectromechanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.Ch

3、ina,510006摘要摘要本文以面向淬硬钢、高温合金等难加工材料的高速加工刀具涂层为研究背景，通过优化工艺参数、掺杂多组元成分以及引入纳米复合多层结构实现对AlCrN涂层力学、高温热稳定性及抗氧化性能的提升。分析测试涂层组成、结构、力学、高温热稳定性和高温摩擦性能。探讨涂层结构演变规律、高温氧化摩擦行为以及涂层性能对涂层刀具切削行为的影响规律。主要研究结论如下：（1）通过改变反应气体流量比(O2/(O2+N2))制备多组元含氧量不同的AlCrN/AlCrON涂层，研究氧含量对AlCrN/AlCrON涂层的组织结构、力学性能及切削性能

4、的影响。并对AlCrN/AlCrON涂层高温下的热稳定性和磨损机制进行了系统的研究。结果表明：随着涂层中氧含量增多，涂层硬度降低，涂层结合力先上升后下降。AlCrN涂层硬度随真空退火温度的上升而降低，950℃时有六方相生成。而AlCrN/AlCrON(O7.41at.%)涂层表现出更好的高温红硬性，在1100℃退火后硬度略微上升。在室温、600℃、800℃温度下，涂层平均摩擦系数随氧含量增加先上升后降低再上升。AlCrN/AlCrON(O0.96at.%)涂层在室温摩擦时主要呈现磨粒磨损及塑性变形磨损机制，600℃和800℃温度下为高

5、温下的摩擦氧化及粘着磨损。AlCrN/AlCrON(O7.41at.%)涂层在室温下主要呈现磨粒磨损及抛光润滑磨损机制，600℃和800℃温度下为磨粒磨损，并伴随局部的粘着磨损。AlCrN/AlCrON涂层刀具的车削性能优于AlCrN涂层刀具，且AlCrON(O5.28at.%)涂层刀具的车削寿命最高，为无涂层刀具车削寿命的6倍左右。（2）为提高涂层的强度及切削性能，制备硅氧共掺AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON多层涂层，研究氧含量对AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂层的组织结构和力学性能的影响，并对AlTiN/

6、AlCrSiN/AlCrSiON涂层高温下的热稳定性以及加工淬硬钢和高温合金时的切削磨损行为进行了系统研究。结果表明：随着涂层中氧含量的增多，硬度基本不变，涂层结合力先增大后减小。常温下摩擦时涂层均发生塑性变形和磨粒磨损。600℃下涂层的摩擦机制为磨粒磨损，并伴随氧化磨损。800℃下涂层的磨损机制主要为粘着磨损以及氧化磨损。950℃以下，涂层保持良好高温热稳定性。1100℃真空退火后涂层发生相分解，硬度下降，但含氧涂层表现更好高温红硬性。在车削淬硬钢实验中，I广东工业大学硕士学位论文随涂层氧含量增加，涂层刀具的车削寿命先增高后降低。相

7、比于无氧涂层刀具，AlTiN/AlCrSiN/AlCrSiON涂层刀具表现出更好的抗工件材料粘覆能力。在车削高温合金实验中，切削摩擦氧化基本没有发生，磨损机制主要为机械磨损。（3）为进一步提高AlCrN基涂层刀具性能，制备AlCrN/TiSiN纳米多层涂层，研究涂层的高温热稳定性和摩擦学性能。结果表明：AlCrN/TiSiN涂层由c-Cr(Al)N与c-Ti(Si)N相构成，涂层硬度为49.7GPa±0.83GPa，结合力达到83N。经800℃和950℃真空退火后涂层微观结构变得更加致密，缺陷密度下降，而涂层相结构、硬度和结合力没有明

8、显变化。摩擦磨损测试结果表明，随着温度由室温增加至400℃，涂层摩擦系数急剧升高，继续增加温度至600～800℃，涂层摩擦系数降低，而涂层磨损率随温度升高先降低后增加。AlCrN/TiSiN涂层在室温下的磨损机制为磨粒磨