ZrN涂层刀具材料摩擦磨损特性的研究

摘要

ZrN具有硬度高、熔点高、热稳定性好、优良的耐磨性等优点，本文研制开发出ZrN系列涂层硬质合金刀具，并对其力学性能、微观结构、受力分析和摩擦磨损机理进行了深入系统的研究。 以YTl5和YG6硬质合金为基体和Zr为过渡层，采用脉冲偏压辅助沉积电弧离子镀与离子轰击相结合工艺成功研制开发了ZrN系列涂层硬质合金刀具。结果表明：T5(zrN/Zr)涂层刀具的综合机械性能最佳：硬度为27.78 GPa，涂层与基体的结合力为70.23 N，涂层厚度为5.23μm。 建立了ZrN系列涂层硬质合金刀具与45＃钢高速环一块摩擦磨损的有限元分析模型，并对摩擦过程进行了动态仿真，得出了ZrN系列涂层硬质合金刀具在摩擦过程中的应力分布规律。结果表明：未涂层硬质合金刀具的最大等效应力和剪应力明显高于涂层刀具；最大主应力位于摩擦副接触区中心区域，最大剪应力位于摩擦副接触区中心偏左区域，其大小随载荷的增大而增大，而转速对其影响较小。 在室温干摩擦条件下对ZrN系列涂层硬质合金刀具进行了高速环一块摩擦磨损试验，得出了ZrN系列涂层硬质合金刀具的摩擦磨损特性。结果表明：(1)未涂层刀具的摩擦系数和磨损率明显高于涂层刀具的摩擦系数和磨损率，在载荷40N，转速500 r/min条件下，未涂层刀具T1的摩擦系数为0.3899，磨损率为4.1008(×10<'-10> cm<'3>/N．m)r，而ZrN涂层刀具T5的摩擦系数为0.1990，磨损率为1.0406(×10<'-10>cm<'3>/N．m)，ZrN涂层刀具有很好的减摩抗磨作用；(2)随着载荷和转速的增加，摩擦系数呈下降趋势；随着载荷的增加，磨损率呈上升趋势；随着转速的增加，磨损率呈下降趋势；(3)沉积工艺相同，基体为YT15的ZrN涂层刀具的磨损率要比基体为YG6的ZrN涂层刀具的磨损率要小；基体相同，有Zr过渡层比无Zr过渡层的减摩抗磨效果好。 通过ZrN系列涂层硬质合金刀具摩擦磨损时的SEM照片分析可知：ZrN系列涂层硬质合金刀具与45＃钢摩擦时的磨损机理是磨粒磨损和涂层的微剥落。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1涂层刀具的性能、应用及国内外研究现状

1.1.1涂层刀具的性能特点

1.1.2刀具涂层的制备方法

1.1.3涂层刀具的应用

1.1.4涂层刀具的研究现状

1.2 ZrN涂层的性能、应用及研究现状

1.2.1 ZrN涂层的性能特点

1.2.2 ZrN涂层的应用领域

1.2.3 ZrN涂层的研究现状

1.3涂层刀具摩擦磨损研究

1.3.1“硬”涂层刀具的摩擦磨损研究

1.3.2“软”涂层刀具的摩擦磨损研究

1.4本课题研究的主要目的、意义及主要内容

1.4.1存在的问题及课题的提出

1.4.2本课题的主要研究内容

第2章ZrN涂层刀具摩擦磨损特性的试验研究

2.1 ZrN涂层刀具的制备

2.1.1基体的选择

2.1.2过渡层的选择

2.1.3涂层工艺

2.2 ZrN涂层刀具的性能测试

2.2.1维氏硬度的测量

2.2.2结合力的测定

2.2.3涂层厚度的测定

2.3 ZrN涂层刀具的性能参数

2.4 ZrN涂层刀具的微观结构分析

2.4.1试样SEM分析

2.4.2 XRD衍射分析

2.5摩擦磨损试验

2.5.1试验设备

2.5.2试验条件及方法

2.5.3耐磨性评价方法

2.6 ZrN涂层刀具的摩擦特性

2.6.1试验载荷对摩擦系数的影响

2.6.2转速对摩擦系数的影响

2.6.3摩擦距离对摩擦系数的影响

2.7 ZrN涂层刀具的磨损特性

2.7.1试验载荷对磨损率的影响

2.7.2转速对磨损率的影响

2.8本章小结

第3章ZrN涂层刀具摩擦时的应力分析

3.1接触问题非线性有限元理论

3.1.1接触状态的判别条件

3.1.2有限元基本方程

3.2 ZrN涂层刀具环-块摩擦时的有限元应力分析

3.2.1有限元模型的建立和网格划分

3.2.2边界条件及载荷的施加

3.2.3施加摩擦力

3.3有限元计算结果与分析

3.4本章小结

第4章ZrN涂层刀具磨损机理研究

4.1影响ZrN涂层刀具摩擦磨损性能的因素

4.1.1力学机械性能对涂层耐磨性的影响

4.1.2微观结构对涂层耐磨性的影响

4.2 ZrN涂层刀具磨损形貌及磨损机理

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢