多组元梯度成分硬质复合膜刀具研究

论文摘要

本研究利用多弧离子镀技术,采用Ti-Al二元合金靶、Ti-Al-Zr三元合金靶和Cr单质靶,在YT15和YG10X两种牌号的硬质合金刀具基体上,通过控制Ar和N2两种气体流量的实验工艺制备了（Ti,Al,Zr）N、（Ti,Al,Cr）N和（Cr,Ti,Al,Zr）N三种多组元梯度成分硬质复合膜。利用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对三种硬质复合膜的成分、形貌和相结构进行了测量和表征;利用粗糙度仪、划痕仪和显微硬度计测评了三种硬质复合膜的表面粗糙度、膜基结合力和硬度;对三种硬质复合膜刀具分别进行了车削45#钢、铣削CrWMn合金工具钢和钻削高速钢实验,并在切削实验后对刀具利用扫描电镜（SEM）和电子能谱仪（EDS）观察和测定了刀具切削刃表面形貌和化学元素扩散;利用光学显微镜和工具显微镜观察和测量了膜层磨损形式和镀膜刀具磨损量。研究工作表明,采用本实验室的多弧离子镀技术沉积工艺,可以制备出具有优良性能的（Ti,Al,Zr）N、（Ti,Al,Cr）N和（Cr,Ti,Al,Zr）N三种多组元梯度成分硬质复合膜。膜层硬度最高可达4400HV,膜基结合力最高可超过180N,并且这三种硬质复合膜适用于不同牌号和不同形状的切削刀具。制备的三个系列的膜层均具有B1-NaCl型的面心立方结构。这三个系列的镀膜刀具,包括车刀片、铣刀和钻头,在实验切削加工中比未镀膜刀具的切削性能有着显著提高。其中（Cr,Ti,Al,Zr）N镀膜刀具的性能最优,而（Ti,Al,Cr）N镀膜刀具的性能优于（Ti,Al,Zr）N镀膜刀具。三个系列镀膜刀具的切削性能最低能提高2倍,最高可达到6倍。三个系列的膜层具有良好的抗粘结性和耐磨性,能有效的阻止刀具基体与工件材料的直接接触,并在一定程度上减轻硬质点磨损、扩散磨损,氧化磨损和粘结磨损,保护了刀具基体的整体性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 涂层刀具的概况
• 1.2 刀具切削技术发展及对镀膜刀具的要求
• 1.2.1 高速切削技术
• 1.2.2 高速切削特点与应用
• 1.2.3 高速切削对镀膜刀具的要求
• 1.3 干式切削技术
• 1.3.1 干式切削技术发展
• 1.3.2 干式切削的特点
• 1.3.3 干式切削对刀具的要求
• 1.4 刀具镀膜制备工艺
• 1.4.1 化学气相沉积法（CVD）
• 1.4.2 物理气相沉积法（PVD）
• 1.5 本课题的提出
• 2 实验材料与研究方法
• 2.1 镀膜靶材成分
• 2.2 镀膜基体材料的选取
• 2.3 膜层结构设计
• 2.4 镀膜工艺参数
• 2.4.1 基体负偏压的大小
• 2.4.2 沉积室真空度的高低
• 2.4.3 靶材电流的强弱
• 2.4.4 反应气体压强的大小
• 2.4.5 试样温度的高低
• 2.4.6 沉积时间的长短
• 2.4.7 传动电压的强弱
• 2.5 膜层力学性能与组织测试方法
• 2.5.1 膜基结合力检测
• 2.5.2 膜层硬度检测
• 2.5.3 膜层组织结构与成分分析
• 2.5.4 膜层表面粗糙度检测
• 2.6 刀具使用性能测试与方法
• 2.6.1 切削性能测试
• 2.6.2 铣削和钻削性能测试
• 2.6.3 刀具磨损测试
• 3（Ti，Al，Zr）N 镀膜刀具的制备及切削实验
• 3.1 （Ti，Al，Zr）N 镀膜刀具的制备
• 3.2 实验刀具和工件材料
• 3.2.1 实验刀具
• 3.2.2 工件材料
• 3.3 （Ti，Al，Zr）N 膜制备工艺
• 3.4 刀具膜层组织与成分研究
• 3.4.1 镀膜刀片实物
• 3.4.2 （Ti，Al，Zr）N 膜层表面形貌分析
• 3.4.3 （Ti，Al，Zr）N 膜层表面成分分析
• 3.4.4 （Ti，Al，Zr）N 膜层表面粗糙度
• 3.4.5 （Ti，Al，Zr）N 膜层相结构
• 3.5 刀具膜层力学性能分析
• 3.5.1 （Ti，Al，Zr）N 膜层表面硬度
• 3.5.2 （Ti，Al，Zr）N 膜基结合力
• 3.6 （Ti，Al，Zr）N 镀膜刀具的切削性能研究及评价
• 3.6.1 （Ti，Al，Zr）N 镀膜刀具加工参数的选择
• 3.6.2 （Ti，Al，Zr）N 镀膜刀具磨钝标准的选定及磨损量的测量
• 3.6.3 （Ti，Al，Zr）N 镀膜刀具磨损形态
• 3.6.4 （Ti，Al，Zr）N 镀膜刀具切削过程及现象
• 3.6.5 （Ti，Al，Zr）N 镀膜刀具失效分析
• 3.7 （Ti，Al，Zr）N 镀膜铣刀铣削实验
• 3.7.1 加工工件的选择与镀膜工艺的选择
• 3.7.2 铣削实验参数设定及寿命对比
• 3.8 本章小结
• 4（Ti，Al，Cr）N 镀膜刀具的制备及切削实验
• 4.1 （Ti，Al，Cr）N 镀膜刀具的制备
• 4.2 实验刀具和工件材料
• 4.3 （Ti，Al，Cr）N 膜制备工艺
• 4.4 刀具膜层组织与成分研究
• 4.4.1 镀膜刀片实物
• 4.4.2 （Ti，Al，Cr）N 膜层表面形貌分析
• 4.4.3 （Ti，Al，Cr）N 膜层表面成分分析
• 4.4.4 （Ti，Al，Cr）N 膜层表面粗糙度
• 4.4.5 （Ti，Al，Cr）N 膜层相结构
• 4.5 刀具膜层力学性能分析
• 4.5.1 （Ti，Al，Cr）N 膜层表面硬度
• 4.5.2 （Ti，Al，Cr）N 膜基结合力
• 4.6 （Ti，Al，Cr）N 镀膜刀具的切削性能研究及评价
• 4.6.1 （Ti，Al，Cr）N 镀膜刀具加工参数的选择
• 4.6.2 （Ti，Al，Cr）N 镀膜刀具磨钝标准的选定及磨损量的测量
• 4.6.3 （Ti，Al，Cr）N 镀膜刀具失效分析
• 4.7 （Ti，Al，Cr）N 镀膜铣刀铣削实验
• 4.7.1 加工工件的选择与镀膜工艺的选择
• 4.7.2 铣削实验参数设定及寿命对比
• 4.8 本章小结
• 5（Cr，Ti，Al，Zr）N 镀膜钻头的制备及切削实验
• 5.1 （Cr，Ti，Al，Zr）N 镀膜钻头的制备
• 5.2 实验刀具和工件材料
• 5.2.1 实验刀具
• 5.2.2 工件材料
• 5.3 （Cr，Ti，Al，Zr）N 膜制备工艺
• 5.4 膜层组织与力学性能
• 5.4.1 镀膜钻头实物
• 5.4.2 （Cr，Ti，Al，Zr）N 膜层表面形貌分析
• 5.4.3 （Cr，Ti，Al，Zr）N 膜层表面成分分析
• 5.4.4 （Cr，Ti，Al，Zr）N 膜层表面粗糙度
• 5.4.5 （Cr，Ti，Al，Zr）N 膜层相结构
• 5.5 钻头膜层力学性能分析
• 5.5.1 （Cr，Ti，Al，Zr）N 膜层表面硬度
• 5.5.2 （Cr，Ti，Al，Zr）N 膜基结合力
• 5.6 （Cr，Ti，Al，Zr）N 镀膜钻头的钻削性能研究及评价
• 5.6.1 （Cr，Ti，Al，Zr）N 镀膜钻头加工参数的选择
• 5.6.2 （Cr，Ti，Al，Zr）N 镀膜钻头钻削过程及现象
• 5.6.3 （Cr，Ti，Al，Zr）N 镀膜钻头磨损形态及失效分析
• 5.7 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 在学期间研究成果
• 致谢