热作模具Cr基复合纳米硬质涂层的工业制备及热稳定性研究

摘要

Cr基复合纳米硬质涂层具有硬度高、结合力好、耐磨性及耐高温性优异等特点，被广泛用于各类切削刀具、热作模具及汽车零部件等领域。但不同类型涂层对各种待镀产品工作寿命的提升是多样化的。就热作模具而言，对比多种 Cr基复合纳米硬质涂层高温退火后综合性能的变化和在各种热作模具的使用效果，选择出一种综合性能最优、对各类热作模具工作寿命均能有效提高的涂层，是更加有利于我国制造业发展的。
　　本文针对热作模具失效问题，采用多种电弧离子镀工业制备工艺制备出CrTiAlSiCN梯度涂层，CrTiAlN和CrTiAlSiN多元复合涂层，CrAlN、TiAlN、CrAlN（电磁）以及TiAlN（电磁）三元涂层，并对各组涂层高温退火前后各项性能的变化进行详细对比分析。主要包括：对各类PVD涂层工业预处理方法和制备工艺的总结；对各组涂层高温退火前后的硬度、结合力、显微形貌和相结构的对比分析；对铝压铸模具（3Cr2W8V）、冷冲压模具（Cr12MoV）以及热锻模具（4Cr5MoSiV1）等不同材质的热作模具进行各组涂层的制备，并跟踪统计模具工作寿命。结果表明：
　　CrTiAlSiCN梯度涂层经不同高温退火处理后，涂层硬度基本不变，结合力下降。涂层表面形成Al2O3、TiO2以及Cr2O3等氧化物，既降低了表面摩擦系数、提高了涂层耐磨性，又抑制了O2与涂层内部Ti元素接触导致的持续氧化，提高了涂层高温抗氧化性。在铝压铸模具、冷冲压模具及热锻模具三种模具表面沉积CrTiAlSiCN涂层后，模具工作寿命均得到明显提升，其中冷冲压模具效果最为显著，与未涂层模具相比，模具工作寿命可提高4.25倍。
　　与CrTiAlN涂层相比，CrTiAlSiN涂层中Si元素的掺杂使涂层晶粒细化、致密性提高的同时也增大了涂层的内应力，使涂层硬度高、耐磨性和高温抗氧化性好，但结合力稍差。在三种热作模具表面分别沉积CrTiAlN和CrTiAlSiN涂层后，CrTiAlSiN涂层对冷冲压模具工作寿命的提高效果更好，与未涂层模具相比，模具工作寿命可提高4倍。
　　采用圆环型磁过滤线圈制备的CrAlN（电磁）涂层硬度高、结合力好；涂层表面摩擦系数低，耐磨性好；退火后涂层表面形成Al2O3和Cr2O3，防止了TiO2的产生，高温抗氧化性优异。在三种热作模具表面分别沉积CrAlN（电磁）和TiAlN（电磁）涂层后， CrAlN（电磁）涂层对冷冲压模具效果最为显著，与未涂层模具相比，可提高工作寿命高达10倍。对比本研究各涂层，CrAlN（电磁）涂层综合性能不仅优于其余三种三元涂层，而且与传统的梯度涂层和多元复合涂层相比，也具有明显优势。

目录

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第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 PVD涂层技术的发展现状

1.3 电弧离子镀技术

1.4 涂层材料的发展现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 实验材料、工艺和设备

2.1 基材和涂层材料

2.2 涂层设备

2.3 试样的检测

2.4 涂层产品实例

2.5 本章小结

第3章 Cr基复合纳米硬质涂层的工业制备

3.1 工业镀膜表面处理方法

3.2 镀前处理工艺

3.3 镀膜工艺

3.4 镀后处理工艺

3.5 本章小结

第4章 CrTiAlSiCN梯度涂层热稳定性研究

4.1 基本力学性能

4.2 摩擦学特性

4.3 高温抗氧化性

4.4 涂层模具使用实例

4.5 本章小结

第5章 CrTiAlN、CrTiAlSiN多元复合涂层热稳定性对比研究

5.1 基本力学性能

5.2 摩擦学特性

5.3 高温抗氧化性

5.4 涂层模具使用实例

5.5 本章小结

第6章 磁场增强CrAlN、TiAlN三元复合涂层热稳定性对比研究

6.1 基本力学特性

6.2 摩擦学特性

6.3 高温抗氧化性

6.4 涂层模具使用实例

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

致谢