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表面处理Ti（C，N）基金属陶瓷的结构与性能

2020-11-23阅读(130)

表面处理Ti（C，N）基金属陶瓷的结构与性能

论文摘要

为了适应对刀具材料日益苛刻的性能要求,开发适合高速切削和干式切削的高性能刀具,本文采用高温高压氮化、多弧离子镀和复合表面处理等先进表面处理技术对Ti（C,N）基金属陶瓷进行表面处理,制备了具有优异的表面性能和韧性基体的Ti（C,N）基金属陶瓷,并采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线能谱（EDS）、原子力显微镜等试验手段研究了制备工艺、基体材料和后处理工艺对材料近表面层组织结构、性能的影响。本文首先概述了Ti（C,N）基金属陶瓷的组织和性能特点、金属陶瓷表面处理的发展趋势、热等静压技术和多弧离子镀技术的原理及特点,并阐明了本文的研究目的和意义。将含Ni量为32%的金属陶瓷进行了WC、Mo成分的微量调整,以及真空烧结工艺的微量调整。在1415oC进行烧结所得金属陶瓷具有最高的横向断裂强度,其显微组织均匀,为典型的芯-壳结构,具有较高的硬度和断裂韧性,并且断裂韧性随着WC含量的增加而提高。确定了制备Ti（C,N）基金属陶瓷基体材料的真空烧结工艺为1415oC保温60min。在高温高压条件下,利用热等静压炉对Ti（C,N）基金属陶瓷进行了氮化处理。热等静压氮化处理使金属陶瓷表面形成了一层大约15μm厚、富含TiN的金黄色表面反应及影响区,提高了表面显微硬度和断裂韧性。另外,在高温高压极限条件下,氮化处理温度不宜太高,否则将引起晶粒长大,降低材料的性能。首次对Ti（C,N）基金属陶瓷进行多弧离子镀制备TiN涂层。金属陶瓷多弧离子镀处理后,表面呈现致密的金黄色,镀层主要为具有（111）择优取向的TiN相,使金属陶瓷表面的显微硬度大幅度提高,不影响其抗弯强度。基体表面粗糙度值越高,涂层与基体的结合强度越低;粗糙度值越低,涂层与基体的结合强度越高。Ti（C,N）基金属陶瓷的涂层结合强度高于硬质合金基体的涂层结合强度。TiN与Ti（C,N）基金属陶瓷之间润湿性良好,TiN涂层的生长是按层状生长模式进行的,TiN与基体原子之间形成键合结合方式,因此,TiN涂层不仅光滑致密,而且与基体的结合力也高于硬质合金基体。硬质合金基体上涂层生长是按着岛状生长模式进行的,因此,表面具有许多岛状Ti液滴,并具有明显的方向性,涂层表面粗糙。首次探索了Ti（C,N）基金属陶瓷的多弧离子镀+热等静压后处理的复合表面处理。热等静压后处理显著提高了TiN涂层与基体之间的结合强度,同时使涂层的断裂韧性得到显著提高,而对TiN的相结构没有影响,材料的横向断裂强度基本不变。热等静压处理提高TiN涂层性能的机制是通过扩散形成的梯度变化界面和使材料致密化加强界面间机械互锁作用。首次对Ti（C,N）基金属陶瓷进行多弧离子镀制备了厚度约为3μm的TiN/TiAlN多层涂层,其努氏显微硬度均达到2808HK,涂层与金属陶瓷之间的结合强度高达57.52N,而横向断裂强度几乎没有变化。结构分析表明,金属陶瓷基体多弧离子镀后涂层最表层为TiN,中间层主要为TiAlN,基体金属陶瓷主要为Ti（C,N）和Ni,并且在最外层和中间层中都发现有基体的衍射峰,只是峰的强度不同。TiN相和TiAlN相均存在强烈的（111）择优取向。TiN/TiAlN涂层组织均匀,Al的含量从涂层内部到表面逐渐增大,呈现梯度分布特征。当基体材料不同时,涂层的形貌差别很大。TiN相、TiAlN相与Ti（C,N）基金属陶瓷之间润湿性良好,涂层的生长是按层状生长模式进行的,TiN、TiAlN与基体原子之间形成键合结合方式,因此,TiN/TiAlN涂层不仅光滑致密,均方根粗糙度为20.6nm,而且涂层与基体的结合力也高于硬质合金基体。硬质合金基体上涂层生长是按着岛状生长模式进行的,因此,形成许多岛状液滴,并具有明显的方向性,涂层表面粗糙,均方根粗糙度高达272.2nm,而且表面的Ti液滴还具有方向性。采用球-盘摩擦磨损试验机研究了TiN/TiAlN多层涂层的摩擦学性能和磨损机制。TiN/TiAlN涂层的平均摩擦系数均低于金属陶瓷基体的平均摩擦系数。在较高载荷下,金属陶瓷基体上TiN/TiAlN涂层的平均摩擦系数较大。随着滑动速度的增大,平均摩擦系数增大,材料的质量变化由增量减少变为减量,即由严重粘着向少量粘着变化,其磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损。硬质合金基体上TiN/TiAlN涂层的摩擦系数比相同载荷、相同滑动速度下金属陶瓷基体上TiN/TiAlN涂层的摩擦系数小。硬质合金基体上TiN/TiAlN涂层是由Ti液滴颗粒和颗粒间的凹坑所构成的表面,微观上呈雨滴状,这种表面形貌有利于减小摩擦系数,改善工件表面的耐磨损性。其磨损机制主要是粘着磨损和涂层的微剥落。通过对TiN、TiN/TiAlN涂层的膜层裂纹密度的分析,发现Ti（C,N）基金属陶瓷基体的TiN膜层的压痕边缘出现了大块的片状剥落,膜层的脆性较大,断裂韧性很低。而经热等静压处理后膜层-基体之间的结合力显著提高,具有最高的断裂韧性。金属陶瓷基体上TiN/TiAlN多层涂层的断裂韧性高于硬质合金基体的,其压痕形貌中没有涂层剥落,而且不同基体上的压痕裂纹其特点也不同,金属陶瓷基体膜层的径向裂纹非常短,并有裂纹偏转现象;而其侧向裂纹很长,分布压痕周围。硬质合金基体上膜层的径向裂纹很长,非常平直,从裂纹起始端到裂纹尖端,几乎为一直线;侧向裂纹很短,只有与颗粒方向垂直的压痕边缘才稍微有一点侧向裂纹。通过用TiN/TiAlN涂层金属陶瓷刀具对0Cr18Ni9钢和45#钢进行铣削实验,发现TiN/TiAlN涂层金属陶瓷的切削性能明显优于未涂层金属陶瓷和硬质合金YW2,其平均寿命为硬质合金刀具的2倍。TiN/TiAlN涂层金属陶瓷刀具的失效形式主要是磨损和崩刃,没有涂层剥落现象,TiN/TiAlN涂层与基体的结合强度很好。未涂层金属陶瓷刀具的磨损形式主要是磨损和粘着。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 Ti（C,N）基金属陶瓷的组织和性能
  • 1.3 金属陶瓷表面处理的研究概况
  • 1.3.1 功能梯度材料的概念
  • 1.3.2 功能梯度金属陶瓷的制备技术
  • 1.4 热等静压技术简介
  • 1.5 多弧离子镀技术简介
  • 1.6 本文的研究目的、意义和内容
  • 2 材料选择及制备工艺
  • 2.1 基体和镀层的选择
  • 2.2 基体材料的成分设计与制备
  • 2.2.1 Ti（C,N）基金属陶瓷基体的成分设计
  • 2.2.2 Ti（C,N）基金属陶瓷基体的制备
  • 3 Ti（C,N）基金属陶瓷的组织与性能
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验方法
  • 3.3 Ti（C,N）基金属陶瓷的性能
  • 3.4 Ti（C,N）基金属陶瓷的组织
  • 3.5 Ti（C,N）基金属陶瓷的TEM 观察
  • 3.6 Ti（C,N）基金属陶瓷的强韧化机理
  • 3.7 本章小结
  • 4 金属陶瓷热等静压氮化处理及表面组织结构
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验方法
  • 4.2.1 实验材料
  • 4.2.2 材料的预处理及其热等静压氮化处理
  • 4.2.3 分析测试
  • 4.3 热等静压氮化处理工艺研究
  • 4.4 热等静压氮化处理后的组织结构
  • 4.4.1 外观变化
  • 4.4.2 XRD 分析
  • 4.5 Ti（C,N）金属陶瓷氮化处理后的性能
  • 4.5.1 比重
  • 4.5.2 显微硬度
  • 4.5.3 横向断裂强度
  • 4.5.4 断裂韧性
  • 4.6 功能梯度表层的形成机理
  • 4.6.1 热力学角度
  • 4.6.2 孔隙度角度
  • 4.7 本章小结
  • 5 TiN 膜的制备和性能表征
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验方法
  • 5.2.1 基体材料
  • 5.2.2 TiN 镀层的制备工艺
  • 5.2.3 镀层性能的测试与结构分析
  • 5.3 影响镀层性能的工艺因素
  • 5.3.1 气体分压
  • 5.3.2 基体偏压
  • 5.3.3 基体温度
  • 5.3.4 靶弧电流
  • 5.3.5 磁场
  • 5.4 TiN 镀层的组织结构和性能
  • 5.4.1 镀层的组织形貌
  • 5.4.2 镀层的XRD 分析
  • 5.4.3 镀层的厚度、横向断裂强度及显微硬度
  • 5.5 影响TiN 镀层的因素
  • 5.5.1 影响TiN 组织形貌的因素
  • 5.5.2 基体材料和表面粗糙度对TiN 镀层结合力的影响
  • 5.5.3 TiN 膜层的生长模式
  • 5.6 热等静压后处理对TIN 涂层的影响
  • 5.6.1 Ti（C,N）基金属陶瓷复合表面处理工艺
  • 5.6.2 热等静压处理前后TiN 涂层的显微组织
  • 5.6.3 热等静压处理前后TiN 涂层的性能
  • 5.6.4 热等静压处理前后TiN 涂层的XRD 分析
  • 5.6.5 热等静压处理前后TiN 涂层的结合力
  • 5.6.6 热等静压处理提高TiN 涂层结合力的作用机理
  • 5.7 本章小结
  • 6 TiN/TiALN 复合膜的制备、结构及性能表征
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验材料及方法
  • 6.2.1 基体材料
  • 6.2.2 镀层材料的选择
  • 6.2.3 镀层的制备工艺
  • 6.2.4 镀层性能的测试与结构分析
  • 6.3 镀层的性能
  • 6.3.1 基体材料对镀层表面形貌的影响
  • 6.3.2 镀层的粗糙度
  • 6.3.3 镀层的组成及结构分析
  • 6.3.4 镀层的性能
  • 6.3.5 镀层的结合力
  • 6.4 本章小结
  • 7 TiN/TiALN 涂层的滑动摩擦学特性研究
  • 7.1 引言
  • 7.2 实验方法
  • 7.2.1 基体试样及摩擦副材料的选择
  • 7.2.2 摩擦学性能试验方法与仪器
  • 7.3 TiN/TiALN 涂层的滑动摩擦学特性
  • 7.3.1 滑动摩擦系数与时间的关系
  • 7.3.2 滑动摩擦磨损性能与滑动速度的关系
  • 7.3.3 滑动摩擦磨损性能与载荷的关系
  • 7.3.4 涂层形貌对TiN/TiAlN 涂层的滑动摩擦磨损性能的影响
  • 7.3.5 TiN/TiAlN 涂层的磨损机理
  • 7.4 本章小结
  • 8 膜层断裂性能的评价
  • 8.1 引言
  • 8.2 压痕试验与本构模型
  • 8.3 氮化物膜层的脆性及膜层中的缺陷
  • 8.4 TiN 膜层的压痕试验
  • 8.5 TiN/TiALN 多层膜层的压痕试验
  • 8.6 本章小结
  • 9 TiN/TiALN 涂层Ti（C,N）基金属陶瓷刀具切削性能研究
  • 9.1 引言
  • 9.2 实验方法
  • 9.3 刀具的使用寿命分析
  • 9.4 刀具的磨损
  • 9.5 本章小结
  • 10 全文总结
  • 10.1 本文主要结论
  • 10.2 本文的创新之处
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录 攻读学位期间发表和待发表的论文、专利及论著

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