TiN、TiAlN摩擦磨损特性及其涂层刀具、齿轮的性能研究

【摘要】陶瓷涂层作为一种具有极高硬度的材料,在不改变基体外形和尺寸的前提下,通过一定方法沉积在基体表面,能够有效改善基体的耐磨性能、力学性能和使用寿命等。随着表面工程技术的快速发展,高性能陶瓷涂层的制备技术逐渐丰富,应用领域不断扩大,使用高性能陶瓷涂层的装置和零部件也越来越多。其中,TiN和TiAlN陶瓷涂层具有较低的摩擦系数、较高的熔点和硬度以及良好的耐磨性能等优点,已广泛应用于机械和微电子等工业领域,成为国内外硬质涂层材料研究的热点。本文采用PVD技术分别在40Cr钢试片、YT15硬质合金刀具和齿轮表面沉积了TiN和TiAlN涂层,并进行了以下试验：(1)以304不锈钢球为摩擦配副,对40Cr钢表面的TiN和TiAlN涂层进行了干式往复滑动试验,研究法向载荷对涂层摩擦系数的影响,分析磨痕形貌和磨损机理；(2)采用未涂层刀具以及TiN和TiAlN涂层刀具对调质40Cr钢进行干切削试验,测量其在不同切削参数下的切削力和不同切削速度下的工件表面粗糙度值；(3)采用田口方法建立以切削速度、进给量和背吃刀量为设计变量,以表面粗糙度为输出特性指标的切削试验模型,对40Cr钢进行涂层刀具正交干切削试验,获取TiN和TiAlN涂层刀具最优的切削参数；(4)采用Deform3D软件对涂层刀具的切削过程进行有限元分析,得到涂层刀具在不同切削速度下应力场、温度场和切削力的分布及变化规律,并与试验结果进行对比；(5)采用扫描电镜对切削试验后TiN和TiAlN涂层刀具的磨损区域进行微观观察,并进行EDS分析,探讨涂层刀具的磨损形态和磨损机理；(6)对TiN和TiAlN涂层沉积后的齿轮进行台架试验,分析齿轮涂层对齿轮传动效率和耐磨性能的影响。以上研究表明：(1)TiN涂层的摩擦系数随法向载荷的增大而减小,且曲线较为平稳；TiAlN涂层的摩擦系数随法向载荷的增大呈现先增大后减小的趋势,且曲线波动较大。TiN和TiAlN涂层在低载荷时的磨损机理主要是磨粒磨损,较高载荷时的磨损机理则是氧化磨损、磨粒磨损和粘结磨损共存。(2)在相同的切削参数下,三种刀具的切削力和加工表面粗糙度由小到大的排序是：TiAlN涂层刀具<TiN涂层刀具<YT15刀具。(3)以表面粗糙度为优化目标时,TiN涂层刀具最优切削参数水平为切削速度120m/min,进给量0.1mm/r,背吃刀量0.8mm,此时表面粗糙度为Ral.85μm;TiAlN涂层刀具最优切削参数水平为切削速度190m/min,进给量0.1mm/r,背吃刀量0.8mm,此时表面粗糙度为Ral.27μm。(4)有限元仿真结果显示刀尖刃前区的应力最为集中和复杂,该应力随着切削速度的增大而增大,说明刀尖是最易磨损的部位。仿真预测的切削温度场的分布和切屑的成形过程与金属切削理论吻合,预测的主切削力与试验结果的最大误差为8.3%,最小误差为5.1%。(5)切削试验后,两种涂层刀具的前刀面和后刀面均有不同程度的磨损。TiN涂层刀具的主要磨损形态和磨损机理是前刀面的月牙洼磨损和主后刀面的粘结磨损、磨粒磨损,其中前刀面的月牙洼磨损较为严重,涂层有明显剥落,主后刀面有较深的磨粒划痕,刀尖部分没有崩刃,但磨钝现象严重。TiAlN涂层刀具的主要磨损形态和磨损机理是切削刃的破损和刀尖的微崩刃,并伴随有扩散磨损和氧化磨损。(6)涂层齿轮的传动效率比未涂层齿轮能更早地进入稳定阶段,并且其传动效率比未涂层齿轮增加约1.1%～4.2%,TiAlN涂层齿轮比TiN涂层齿轮具有更好的耐磨性能。
【作者】韩文强；
【导师】何辉波；杨玲；
【作者基本信息】西南大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】TiNTiAlN；摩擦磨损；切削力；Deform3D；

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