氮氧化物涂层氮化硅陶瓷刀具的制备及性能研究

摘要

在金属切削技术的发展进程中，氮化硅陶瓷刀具由于具有耐高温、耐磨、极高的红硬性和化学稳定性等优异的特性，故而在高速干切削灰铸铁方面得到广泛的应用。然而，Si3N4在切削高温下易发生分解，得到的Si与金属具有较好的亲和力，切削过程中会产生月牙洼磨损，使刀具失效。近年来，随着硬质涂层技术的发展，采用PVD技术在氮化硅陶瓷刀具表面制备一层硬质、耐磨涂层，结合氮化硅的优异性能来提高氮化硅刀具的切削性能成为一种可能。
　　为了研究涂层对氮化硅刀具性能的影响，本课题研究了三种不同体系的涂层：1）采用电弧离子镀技术在Si3N4刀具表面制备四组不同偏压的TiAlN涂层，分析不同偏压对涂层性能的影响，在合适偏压的基础上，研究氧含量对TiAlON涂层性能的影响；2）采用同样的方法分析不同偏压对CrAlN涂层性能的影响，以TiAlN涂层为中间层，在表面制备六组不同氧含量的CrAlON涂层；3）以TiAlN涂层为中间层，制备四组不同氧含量的CrAlSiON涂层。采用SEM、EDS、XRD研究制备的PVD涂层刀具的微观结构和物相结构，采用纳米划痕仪测试涂层与陶瓷基体的结合强度，维氏硬度计测定涂层刀具的显微硬度，数控车床切削灰铸铁评估涂层刀具的切削性能，高温马弗炉评定涂层的高温抗氧化性。
　　结果表明：
　　1）制备的TiAlN涂层氮化硅陶瓷刀具，在负偏压为100V时具有最优的切削性能；制备不同氧气流量下的TiAlON涂层，随着氧气的通入涂层刀具的硬度急剧下降，1000℃氧化2h后TiAlN和TiAlON涂层均被氧化，TiAlON涂层虽然可以起到一定的抑制氧化的作用，但是其不能满足1000℃的高温环境。
　　2）制备的CrAlN涂层氮化硅陶瓷刀具，在负偏压为150V时具有最优的切削性能；以TiAlN涂层为中间层，制备六组不同氧含量的CrAlON涂层，随着氧含量的增多，涂层刀具的硬度从HV0.052928±100下降到HV0.051519±75，结合强度先增大后减小，在氧含量为27.91at.％时结合力最大为42.1N，涂层由原来氮化物结构逐渐变为不稳定的氧化物结构；1000℃氧化2h后CrAlON涂层显示出了更优的抗高温氧化性能，随着涂层中氧含量的增多，CrAlON涂层对中间层的TiAlN涂层保护作用更加明显。
　　3）以TiAlN涂层为中间层，制备四组不同氧含量的CrAlSiON涂层，随着氧含量的增多，涂层刀具的硬度从HV0.052629±125减小为HV0.051633±100，结合强度先增大后减小，在氧含量为16.29at.%时，最大结合强度为61.16N，此时涂层陶瓷刀具的切削性能最好，切削长度为2230m；1000℃氧化2h后CrAlSiON涂层仍维持原来的结构，内部的TiAlN涂层出现轻微的氧化，随着氧含量的增多其氧化程度逐渐减轻。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2陶瓷刀具技术的发展

1.3刀具涂层技术的发展

1.4涂层刀具的研究现状

1.5课题来源、选题意义及主要研究内容

第二章 PVD涂层的结构与性能评估研究路线

2.1研究思路

2.2材料、设备及工艺的选择

2.3 涂层的检测方法与检测设备

2.4切削和高温性能研究

第三章 TiAlN、TiAlON涂层氮化硅刀具的制备及性能研究

3.1 TiAlN涂层氮化硅刀具的制备与性能研究

3.2 TiAlON涂层氮化硅刀具的制备与性能研究

3.3本章小结

第四章 CrAlN、CrAlON涂层氮化硅刀具的制备及性能研究

4.1 CrAlN涂层氮化硅刀具的制备与性能研究

4.2 CrAlON涂层氮化硅刀具的制备与性能研究

4.3本章小结

第五章 CrAlSiON涂层氮化硅刀具的制备及性能研究

5.1 CrAlSiON涂层氮化硅刀具的制备

5.2 CrAlSiON涂层的成分和物相结构

5.3 CrAlSiON涂层氮化硅刀具的微观形貌

5.4 CrAlSiON涂层氮化硅刀具的硬度与结合力

5.5 CrAlSiON涂层氮化硅陶瓷刀具的切削性能

5.6 CrAlSiON涂层氮化硅刀具的高温氧化行为

5.7 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢