【摘 要】
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由于TiAlCrN涂层具有高硬度、耐磨损、抗氧化及抗腐蚀等特点,被广泛研究应用于刀具、模具的表面防护。本课题采用多弧离子镀技术制备TiAlCrN涂层,研究了TiAlCrN涂层的制备工艺优化及其高温摩擦学性能。同时,本课题为制备出摩擦学性能优良的TiAlCrN涂层提出了建议,为涂层在苛刻高温工况,如变温、高载及长时间等摩擦条件下的应用奠定了一定的基础。本文的研究内容及结果主要有以下几方面:(1)通过
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由于TiAlCrN涂层具有高硬度、耐磨损、抗氧化及抗腐蚀等特点,被广泛研究应用于刀具、模具的表面防护。本课题采用多弧离子镀技术制备TiAlCrN涂层,研究了TiAlCrN涂层的制备工艺优化及其高温摩擦学性能。同时,本课题为制备出摩擦学性能优良的TiAlCrN涂层提出了建议,为涂层在苛刻高温工况,如变温、高载及长时间等摩擦条件下的应用奠定了一定的基础。本文的研究内容及结果主要有以下几方面:(1)通过研究基体放置位置和放置方式对涂层表面大颗粒的影响,得出基体平放于样品台上层位置时涂层表面大颗粒最少。另外通过对正交试验的研究,并以400℃下磨损率为指标(越低越好),得出最佳的沉积工艺参数为:Ti Al靶电流为90 A,Cr靶电流为105 A,N2流量为160 sccm,沉积温度为350℃。(2)利用优化后的沉积工艺参数成功制备了TiAlCrN涂层,涂层主要由fcc-(Ti,Al)N、fcc-(Cr,Al)N和fcc-(Ti,Al,Cr)N相组成,XPS检测到涂层表面存在少量的氧化物。涂层表面有较多大颗粒,直径大多在1~2μm之间,涂层的厚度约为5.2μm,涂层中Ti、Al、Cr、N含量分别为12.57%、22.10%、19.63%、45.70%。涂层的平均硬度为1795 HV,划痕测试的第二临界载荷为26.2 N。(3)涂层在室温下具有优异抗磨损性能。在100℃到300℃之间,不管是在恒温还是变温条件下,涂层都会因为物理性吸附的水分子膜被破坏导致摩擦变得异常剧烈,对偶材料磨损严重。当温度高于300℃时,其摩擦系数随着温度的升高而减小,涂层在600℃下被磨穿。降温摩擦和循环升降温摩擦过程中,涂层均能保持优异摩擦磨损性能。并且在降温过程中涂层表面会形成保护性氧化层,可有效降低涂层的磨损及被加工材料的磨损。(4)在500℃高温下:(1)载荷在1到5 N之间为弹性接触,随着载荷的增大,涂层的摩擦系数逐渐降低,涂层的磨损率则先降低后升高,其中3N下磨损率最低。低载荷下涂层主要发生塑性变形,中等载荷主要发生磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损,高载荷主要发生磨粒磨损和氧化磨损。(2)随着摩擦频率的增大,涂层的摩擦系数逐渐增大,磨损率则先升高后降低,其中3 Hz下的磨损率最高。低速下涂层仅发生轻微磨损,中等速度下主要发生塑性变形和氧化磨损,高速下主要发生磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损,且高速摩擦有利于涂层产生具有保护作用的粘附层。(3)随着摩擦时间的增加,磨损率先升高后降低,15min时磨损率最高前15 min的摩擦处于磨合阶段,15 min到30 min之间处于稳定磨损阶段。在稳定磨损阶段,磨损率下降,磨损体积缓慢增加,主要磨损方式为磨粒磨损、粘着磨损、塑性变形及氧化磨损。
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