ZrTiN涂层刀具的制备及切削性能研究

论文摘要

三元涂层引入了两种过渡金属,结合固溶强化的机制使得涂层在硬度、结合力、耐磨性和高温抗氧化性等方面具有比二元涂层更优越的性能。本文成功开发出三元ZrTiN系列涂层刀具,并对其制备工艺、物理机械性能、切削性能和磨损机理进行了系统研究。采用脉冲偏压辅助沉积多弧离子镀并结合离子轰击工艺在YT15刀具基体上制备出ZTG（ZrTiN/ZrTi/Ti+YT15）、ZTF（ZrN/TiN/Ti+YT15）和ZT（ZrTiN+YT15）三种涂层刀具,系统分析了不同工艺参数对涂层性能的影响,并确定了各涂层刀具的最佳制备工艺参数。对于ZTG涂层刀具为：Zr靶电流110 A、Ti靶电流70 A、氮气流量140 sccm、基体负偏压250 v、沉积温度200℃、沉积时间75 min,过渡层的基体负偏压150 V,沉积时间5min；对于ZT涂层刀具为：Zr靶电流110 A,Ti靶电流70 A,氮气流量100 sccm,沉积时间75 min,沉积温度200℃,基体负偏压250 v；对于ZTF涂层刀具为：Zr靶电流为90 A,Ti靶电流为80 A,氮气流量140 sccm,沉积时间75 min,沉积温度200℃,基体负偏压250 v。对ZrTiN系列涂层刀具的切削性能进行车削试验研究,并与TiN涂层刀具和未涂层YT15刀具对比,结果发现：各向力随着各工艺参数的增加逐渐增大,在同样切削条件下,按照切削力从小到大的顺序,五种刀具可以排序为：ZTG<ZTF<ZT<TN<YT15;切削速度对切削温度影响显著,在相同切削参数下,五种刀具的切削温度从高到低的顺序为：YT15>TN>ZT>ZTG>ZTF;加工表面粗糙度受切削速度和进给量的影响要明显于背吃刀量,相同切削参数条件下,五种刀具的加工表面粗糙度按从大到小的顺序可以排列为：YT15>ZTF>ZT>TN>ZTG。对ZrTiN系列涂层刀具的磨损性能和磨损机理进行试验研究,并与TiN涂层刀具和未涂层YT15刀具进行对比。结果表明：五种刀具后刀面的磨损量从大到小可以排序为：YT15>ZT>ZTF>TN>ZTG; ZrTiN系列涂层刀具的后刀面以粘着磨损和边界磨损为主,前刀面以粘着磨损和磨粒磨损为主,并伴有涂层剥落和微崩刃；而YT15刀具以粘着磨损为主。结合有限元模拟的方法研究了刀具的应力和温度,发现ZrTiN涂层能够明显降低刀具的切削温度和应力,且各刀具磨损的区域正是刀具应力和温度最大值所集中的位置。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.2 涂层刀具的种类、性能特点
• 1.2.1 涂层的分类和涂层材料
• 1.2.2 涂层的工艺方法
• 1.2.3 涂层刀具的性能特点
• 1.3 氮化物涂层刀具的研究现状
• 1.3.1 二元氮化物涂层刀具
• 1.3.2 三元氮化物涂层刀具
• 1.3.3 ZrTiN涂层
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 ZrTiN涂层刀具的制备
• 2.1 ZrTiN涂层刀具的制备工艺
• 2.1.1 基体的选择
• 2.1.2 过渡层的选择
• 2.1.3 涂层工艺流程
• 2.2 ZrTiN涂层刀具的性能测试方法
• 2.2.1 厚度的测定
• 2.2.2 结合力的测定
• 2.2.3 硬度的测定
• 2.3 ZrTiN涂层刀具制备工艺参数的优化
• 2.3.1 靶电流对涂层性能的影响
• 2.3.2 氮气流量对涂层性能的影响
• 2.3.3 沉积温度对涂层性能的影响
• 2.3.4 沉积时间对涂层性能的影响
• 2.3.5 基体负偏压对涂层性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 ZrTiN涂层刀具的切削性能研究
• 3.1 试验条件
• 3.2 切削力
• 3.2.1 切削速度对切削力的影响
• 3.2.2 背吃刀量对切削力的影响
• 3.2.3 进给量对切削力的影响
• 3.2.4 切削参数对前刀面平均摩擦系数的影响
• 3.3 切削温度
• 3.4 加工表面粗糙度
• 3.5 本章小结
• 第4章 ZrTiN涂层刀具的磨损机理研究
• 4.1 ZrTiN涂层刀具的后刀面磨损量
• 4.2 ZrTiN涂层刀具的磨损机理
• 4.2.1 ZrTiN涂层刀具的磨损形貌
• 4.2.2 ZrTiN涂层刀具的应力和温度
• 4.2.3 ZrTiN涂层刀具的磨损机理
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表