TiAlN刀具涂层的微喷砂加工表面完整性研究

摘要

在机械制造业中，虽然已发展出多种零件成型和加工工艺，但仍有90％以上的机械零件通过切削加工制成。统计表明，目前80％以上零件的切削加工应用了涂层刀具，性能优异的涂层材料可以显著提高刀具寿命和切削效率。现代科学技术的高速发展，特别是航空航天、国防军工、汽车等制造行业领域对一些难加工材料的需求急剧增加，对涂层刀具性能提出了越来越高的性能要求。
　　相对开发新型涂层材料和新型涂层工艺，对已有刀具涂层进行后处理以提高改善其性能则是一种快速、高效、低成本的工艺方法。微喷砂技术作为涂层刀具后处理工艺已开始应用于实际生产，但微喷砂工艺参数尤其是喷砂压强和喷砂时间尚需优化，微喷砂质量难以控制。本文以强化涂层表层力学性能为研究目的，研究微喷砂对PVD刀具涂层表面完整性的影响规律。
　　首先，通过对TiAlN刀具涂层进行微喷砂加工试验，研究喷砂压强和喷砂时间对涂层表面完整性的影响规律。在不同喷砂压强和喷砂时间条件下对TiAlN刀具涂层进行微喷砂后处理，对处理后的涂层表面粗糙度、表面形貌、涂层厚度、表层硬度、纳米压痕及划痕深度、涂层与基体之间的结合强度进行测定，作为评价涂层表面完整性的技术指标。经微喷砂处理后，TiAlN涂层表面粗粗度的均匀性得到改善，表面“液滴”等缺陷被去除，涂层厚度受喷砂压强影响较大，显微硬度较未经微喷砂处理提高19.7％，纳米压痕深度和纳米加载划痕深度分别减小11.4％和11.2％，涂层与基体之间结合强度明显提高。
　　然后，基于准静态压痕力学理论，建立了涂层表面粗糙度、涂层表层硬化深度预报模型，揭示了喷砂压强和喷砂时间通过改变磨粒动能、覆盖率进而改善涂层表面粗糙度和涂层表层硬化深度的影响机制;基于压痕断裂力学理论，建立了预报使涂层表层产生中向/径向裂纹的磨料颗粒临界速度模型，得到了强化涂层表层力学性能的最高喷砂压强。喷砂压强对刀具涂层表面粗糙度、表层硬化深度的影响主要体现在对磨料颗粒动能的影响上，喷砂压强越大，磨料颗粒动能越大，而表面粗糙度Ra和表层硬化深度与磨料颗粒动能的立方根成正比;喷砂时间对刀具涂层表面粗糙度的影响主要体现在对覆盖率的影响上，随着覆盖率提高，覆盖率小于100％时，表面粗糙度Ra增大;覆盖率大于100％时，表面粗糙度Ra减小后增大并趋于稳定;在本文试验条件下对TiAlN刀具涂层进行微喷砂后处理时的喷砂压强不应高于0.4MPa。
　　最后，通过对微喷砂处理前、后的TiAlN涂层进行摩擦磨损试验，揭示了喷砂压强对TiAlN涂层摩擦因数的影响规律，阐述了涂层微喷砂加工表面耐磨性能的改善机理。对于45钢/TiAlN涂层摩擦副，涂层表面粗糙度对涂层损伤机理影响较大;对于Si3N4陶瓷/TiAlN摩擦副，涂层表层硬度对涂层耐磨性能有很大影响，涂层磨损量在喷砂压强为0.4MPa时达到最小值，较未经微喷砂处理的减少约23％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．2 微喷砂工艺

1．2．1 工件参数

1．2．2 加工参数

1．2．3 工艺参数

1．3 微喷砂后处理工艺对涂层刀具性能的影响规律

1．3．1 涂层表面粗糙度、表面形貌和涂层厚度

1．3．2 涂层硬度、强度、残余应力和涂层与基体之间的结合强度

1．3．3 涂层耐磨性能

1．4 存在问题

1．5 研究内容与论文结构

第2章 微喷砂实验设备及涂层性能分析测试方法

2．1 微喷砂实验设备

2．1．1 虹吸原理

2．1．2 微喷砂机结构

2．1．3 测速装置原理及制作

2．2 涂层试样制备

2．2．1 基体选择与预处理

2．2．2 涂层制备

2．3 涂层性能分析测试方法

2．3．1 涂层表面粗糙度

2．3．2 涂层表面形貌

2．3．3 涂层厚度

2．3．4 涂层硬度

2．3．5 涂层与基体之间的结合强度

2．3．6 涂层耐磨性能

2．4 本章小结

第3章 TiAlN刀具涂层的微喷砂加工表面完整性试验研究

3．1 TiAlN涂层微喷砂试验设计

3．1．1 微喷砂用磨料

3．1．2 喷嘴类型及参数

3．1．3 微喷砂工艺参数

3．1．4 磨料质量流量和磨料颗粒速度的测定

3．2 微喷砂对TiAlN涂层表面几何参数的影响

3．2．1 TiAlN涂层表面粗糙度

3．2．2 TiAlN涂层表面形貌

3．2．3 TiAlN涂层厚度

3．3 微喷砂对TiAlN涂层表层力学性能的影响

3．3．1 TiAlN涂层显微硬度

3．3．2 TiAlN涂层纳米硬度

3．3．3 TiAlN涂层与基体之间的结合强度

3．4 本章小结

第4章 TiAlN刀具涂层的微喷砂加工表面完整性机理研究

4．1 磨料颗粒浸入涂层深度及对涂层覆盖率

4．1．1 浸入涂层深度

4．1．2 覆盖率

4．2 微喷砂工艺参数对涂层表面完整性改善机理

4．2．1 喷砂压强的影响

4．2．2 喷砂时间的影响

4．3 TiAlN涂层加工表面完整性的控制

4．4 本章小结

第5章 微喷砂加工对TiAlN刀具涂层耐磨性能的影响

5．1 摩擦磨损试验材料及试验方法

5．1．1 摩擦副的确定

5．1．2 试验方案的制定

5．1．3 试验结果的检测

5．2 45钢与TiAlN涂层摩擦磨损试验研究

5．2．1 摩擦因数

5．2．2 TiAlN涂层磨损量

5．2．3 TiAlN涂层磨损机理

5．3 Si3N4陶瓷与TiAlN涂层摩擦磨损试验研究

5．3．1 摩擦因数

5．3．2 TiAlN涂层磨损量

5．3．3 TiAlN涂层磨损机理

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢