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硬质镀层的热磨损和热疲劳性能研究

张海军  
【摘要】:硬质陶瓷镀层以其高硬度、高耐蚀性、抗高温氧化性在许多领域得到广泛应用。TiCN镀层以其高硬度和优异的化学与热稳定性得到发展。关于TiCN镀层磨损机理的研究大多涉及该镀层与其它硬质镀层在不同温度条件下的摩擦学性能比较,深入探究TiCN镀层不同温度下磨损各个阶段的摩擦磨损规律的文献较少。研究和阐明不同温度条件下,TiCN镀层磨损不同阶段的摩擦系数变化规律和磨损机理,对进一步提高该类镀层的综合摩擦学性能具有重要的工程意义。另外,表面处理技术应用到压铸模具以提高其热疲劳抗力的研究较为广泛,其中,离子氮化、各种陶瓷镀层及氮化加镀膜复合处理等是当前的研究热点。深入研究不同表面处理技术对压铸模具热疲劳性能的影响机理,以及针对不同工作条件下的压铸模具,优化各种表面处理工艺,具有重要意义。 本文采用Tandem 350型化学气相沉积(CVD)系统设备在M42高速钢上制备了TiN/TiC/TiCN多层镀层;采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀、LDMC-100F系列辉光离子氮化炉,分别对H13进行了CrAIN、CrTiAlN镀膜,三种不同氮化工艺的离子氮化,及氮化加CrAlN的复合处理;并通过SEM、EDX和XRD等手段,检测镀层的成分、表面截面形貌和相结构。同时,采用洛氏硬度计和附着力自动划痕仪及高温销盘磨损试验机等设备检测镀层的结合强度、摩擦系数及磨损率,并探讨了镀层的磨损机理。采用自行设计的热疲劳试验机对不同表面处理后的H]3试样进行热疲劳性能测试,通过金相显微镜对裂纹形貌进行观察。 论文主要结论有: ].用化学气相沉积(CVD)技术在高速钢基体上沉积制备的TiCN/TiN/TiC多层结构镀层结合强度优异;磨损试验结果表明,室温、高温下,镀层摩擦系数的变化规律差别很大。高温条件下,由于镀层中的TiC相和基体发生软化,使得镀层硬度下降,这是导致高温与室温条件下摩擦系数差别很大的主要原因。摩擦氧化物层的形成和压溃碾碎的动态过程是否达到平衡状态是高温和室温下摩擦系数能否达到稳定的内在因素。 2.氮化处理和镀膜各自对H13试样热疲劳性能的提高有限,仅无白亮层的氮化对试样的热疲劳抗力有所提高;镀膜后试样表面的裂纹密度有所下降,最大裂纹深度较H13试样要深;氮化加镀膜复合处理后,表面裂纹密度更低,裂纹扩展较深。 3.氮化后再镀膜的复合处理试样,其结合力要高于单纯镀膜的试样;氮化后去掉白亮层的复合处理试样其结合力要高于氮化后未去掉白亮层的复合处理试样。


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