载能离子陶瓷刀具表面改性研究

【摘要】：金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入和脉冲高能量密度等离子体(PHEDP)是材料新型低温表面改性载能离子技术,具有工艺简单、改性层与基体结合紧密等特点。论文首次采用这些技术对多种金属切削用刀具进行改性研究,并对相应基体和薄膜纳米力学性能进行对比,提出了多种新的力学模型。 第一部分,论文采用MEVVA源(高压40kV)对Al2O3、Si3N4等陶瓷刀具进行了钛锆铬离子注入改性系统研究。确定各离子最佳注入剂量:除Al2O3陶瓷刀具注入锆离子为1×1017 ions/cm2外,其余改性剂量均为至少2×1017 ions/cm2。改性后材料表观纳米硬度提高13～64%,杨氏模量最大增加41%,抗弯强度最大增大66%,最大残余压应力为0.63 GPa。在优化剂量下改性后材料表面光滑,平均粗糙度Ra50 nm;切削刀具寿命比改性前提高约2～12倍,Al2O3注铬效果最佳。 第二部分,论文首次提出用PHEDP技术对刀具进行改性研究。确定了室温下在WC和Si3N4刀具上沉积TiN、TiCN和(Ti,Al)N薄膜最佳工艺。在优化工艺下,涂层刀具力学性能优异:残余应力较小,为-2.0 GPa～+1.5 GPa;膜基结合良好,纳米划痕临界载荷达80～110 mN;表观硬度和杨氏模量很高,分别为27 GPa和450 GPa、50 GPa和550 GPa、38 GPa和650 GPa。刀具表面光滑,Ra=40～140 nm;WC涂层刀具能在工业条件下对淬硬钢进行干切削,切削速度可提高2～10倍,且磨损较小,寿命至少35 min;与改性前相比,Si3N4涂层刀具加工淬硬钢和灰铸铁后面磨损分别降低6～10倍;其中TiCN涂层刀具性能最佳。 论文还深入研究了纳米压痕技术中的若干基础理论问题。发现由纳米压痕实验确定的材料硬度存在峰值荷载依赖关系,采用一些经验或半经验公式描述了实验观察到的硬度随荷载的变化关系,确定了材料的真实硬度,且用各种模型确定的真实硬度非常接近。发现由纳米压痕实验确定的杨氏模量也存在峰值载荷依赖关系,指出其原因是压头尖端圆角化,并据此提出了一个确定杨氏模量新方法。基于锥形压头近似,提出了一个分析纳米压痕数据的新方法,用新分析方法确定的弹性模量和硬度与用传统Oliver-Pharr方法获得的值近似。新方法具有清晰的物理意义,并用新方法对幂定律指数m的变化提出了合理解释。