开题报告-扳手头工艺规程设计及加工实现

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1、第一章 绪论1.1 引言刀具涂层技术首次出现于20世纪中后期，各个国家因为使用涂层技术而使刀具的综合性能飞速提升，刀具各项指标得到了大幅度的改良。因为涂层刀具相比普通刀具拥有更好的切削性能、表面硬度更高、耐磨性能和化学性能更稳定等优点，使得涂层刀具的切削寿命远远优于普通刀具，同时涂层刀具使用时的切削速度、切削质量大幅度提高，相比于普通刀具加工，涂层刀具精度提高0.51级。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志1。而大力发展涂层刀具对机加工有着划时代的意义。从20世纪末到现在，世界各国经济飞速发展，其中制造业作为基础产业，正在发生着革命性的变化。相比于以前的制造技术而言，制造技术在近十几年也发生

2、了质的飞跃。在这其中，对制造业和制造业水平影响最大的莫过于金属加工技术的强弱。因此使用涂层技术的刀具相比于普通刀具有着天然的优势，而研究如何获得更加优良品质的涂层，更加完善的工艺技术，是各个国家提升生产的关键因素。1.2 多弧离子镀技术1.2.1多弧离子镀的原理与特点多弧离子镀技术是在真空室中利用弧光放电的方式蒸发靶材表面，使用电流调节弧光放电的程度，在负偏压及占空比的影响下使真空室内的蒸发物质离化，获得等离子体，在气体离子的轰击作用下将蒸发物质或者反应物质沉积在其基体表面上，其原理图如图1.1所示。图1.1多弧离子镀原理图多弧离子镀在镀膜过程中可以产生高度离化的等离子体，当真空室存在这些被蒸

3、发物质组成的等离子体时，由于这些离子具有非常高的动能，因此这些离子被电场加速作用下轰击基体表面，使基体表面变得清洁，这样膜层质量更佳。同时多弧离子镀更具有以下特点：（1）首先多弧离子镀中等离子体是由阴极直接产生的（2）游离在真空室内的离子具有非常高的动能，因此多弧离子镀的涂层薄膜相比于普通涂层致密度、强度更高。（3）一般离子镀离化率较低，而多弧离子镀通常情况下为60%以上。（4）多弧离子镀技术涂层沉积速度快，减少了在镀膜过程中使用的时间。（5）相比较普通离子镀设备操作简单，工作时低电源电压更安全。（6）多弧离子镀采用一弧多用的方式，电弧不仅可以加热源和离子溅射清洗，同时也可以充当蒸发源和离化源

4、。1.2.2 多弧离子镀的工艺参数对于多弧离子镀来说，工艺参数是影响涂层质量的一个重要因素。其中影响多弧离子镀工艺参数主要包括N2分压、基体温度、基体偏压、靶材的选择、涂层材料等等。涂层材料和多弧离子镀工艺参数的选择决定了最终涂层的质量，而控制多弧离子镀的工艺参数，在一定意义上可以说是控制了涂层质量。（1）N2分压经过试验发现当N2流量逐渐升高时，基体上涂层的大颗粒会逐渐减少，基体表面致密度提高。如果N2流量过低时，真空室内可能会发生与靶材反应不完全的现象，这种现象会使涂层表面缺陷增大。但是当N2流量过大时，真空室内溅射增强，离子难以到达基体表面，反而不能得到较好的表面涂层，所以实验过程中应选

5、取适当的N2流量。（2）基体偏压在多弧离子镀过程中，真空室内存在大量的等离子体，其中包括离子、电子及中性粒子3。当真空室内调节负偏压时，具有高能量的离子在负偏压电场的引导下加速撞击基体表面，从而影响涂层表面形貌。因此调整基体负偏压时，图层表面所沉积离子的能量便会发生变化，这样以达到控制涂层质量的目的。根据实验发现，涂层表面熔滴的密度和直径均会随着基体负偏压的增加而逐渐减小，这是因为负偏压的增大会使离子撞击基体表面过程中消耗的内能增加，这样一部分熔滴没有办法到达基体表面，只能存在于真空室内，因此可以清洁图层表面。（3）靶材镀膜靶材是多弧离子镀或其他类型的镀膜方式在指定的参数条件下通过蒸发等方式沉

6、积在基体上的溅射源。换句话说，靶材就是有高能量离子或者粒子轰击溅射的目标材料。选择不同的靶材，不同的材质如铝、钛、铜等，就可以获得不同的膜层，因此，合理的选择靶材对涂层质量有重要作用。（4）基体温度当基体的沉积温度上升时，沉积离子的扩散能力会逐渐增加，应力可以快速释放，这样的图层表面缺陷密度低，而致密性升高。其次，随着沉积温度的提高，基体表面已经沉积的离子依然可以逐渐扩散进基体表层，这是因为沉积在基体表面的离子拥有比较高的能量，所以这些离子可以进行长距离的扩散，进而增强了涂层与基体的结合强度。所以，沉积温度对对涂层质量影响巨大，在实验过程中需要选取合适的基体温度。1.3 AlCrN涂层的研究现

7、状CrN涂层作为早期应用于刀具的保护涂层，在生产制造方面发挥了巨大作用。其中物理气相沉积技术制备的CrN涂层具有韧性高、耐磨性好、抗粘着、抗高温氧化性和抗腐蚀性良好等特点，已在刀具、夹具、耐磨等领域应用广泛并且有着良好的发展前景，而随后发展的AlCrN涂层的综合性能则比CrN涂层有很大提高，实验证明CrN涂层硬质合金刀具抗氧化性能、硬度和韧性等都劣于AlCrN 涂层 ，并且随着切削速度的提高，AlCrN涂层刀具表现出更好的切削性能【3】。近年来，我国在涂层刀具方面的研究上取得了一定的成绩，但是起步较晚，部分技术尚不成熟，在该领域的研究进展比较缓慢。但是与西方发达国家相比，在专业涂层技术水平还存

8、在很大的差距。所以，我国需要大力支持对AlCrN涂层刀具的研究和使用，提高刀具的使用寿命和性能。在欧、美、日等发达国家， 使用物理气相沉积技术所制造的涂层刀具使用率非常高，有数据显示90%高速钢为涂层刀具，50%-60%硬质合金同样为涂层刀具（CVD涂层约占10%-20%），而其中A1CrN涂层刀具占比呈逐年上升趋势。因此，大量国内外刀具厂商都投身于高性能AlCrN涂层刀具的研究领域。1.4 本课题研究的内容及意义本课题的研究目的在于采用Al-Cr合金靶材，利用多弧离子镀技术在钨钢铣刀表面沉积AlCrN膜层，研究基体温度、基体偏压、N2分压等工艺参数对AlCrN膜层物相、显微组织并与钨钢铣刀基

9、体的显微硬度、耐磨性及切削加工性能进行比较。1. 研究N2分压对AlCrN膜层物相、显微组织及孔隙率的影响，研究AlCrN膜层的形成机理；2. 研究N2分压对AlCrN膜层显微硬度、与基体的结合强度、耐磨性的影响，建立AlCrN膜层的损伤机制及磨损机制；3. 通过对多弧离子镀前后钨钢铣刀的切削加工性能进行对比，研究AlCrN膜层的损伤机制。近年数据显示多元系氮化物涂层刀具是研究涂层发展的主要发展方向，与相应的二元系涂层刀具相比，三元化涂层具备更佳优良的表面性能，如具高硬度、高韧性、抗高温摩擦性能和抗氧化性等。然而，多元系碳化物薄膜也容易受到多种因素的干扰，如涂层的化学成分、基体所使用的材质等等

10、，在不同条件下会产生不同的实验数据。因此，研究多元系氮化物在不同条件下的摩擦磨损性能、力学性能、寿命和高温抗氧化性能等将成为日后主要的发展方向。 第二章 实验材料与实验方法2.1 实验材料本研究选用的钨钢基体型号为YG6X，钨钢(硬质合金)，具有高硬度、高强度、良好的耐磨等优良金属性能，尤其是它的高硬度和耐磨性，即使在高温高压下仍然基本保持稳定，在100超高温度下仍有很高的硬度；本次实验中所使用的钨钢铣刀材质为YG6X；选用AlCr靶材进行多弧离子镀。实验所选用的基体材料，靶材，镀膜刀具如图2.1所示，它的化学成分（质量百分比%）如表2.1所示。 (a) (b) (c)图2.1 实验所选用主要

11、原料：（a）钨钢试片（b）TiAl靶材（c）钨钢刀具表2.1 实验中钨钢试片和TiAl靶材的化学成分（wt.%）材料化学成分（wt. %）钨钢WCTaCNbCCo93.50.5 f（A1） f（A4） f（A2），因此说明当其他条件相同时，A2涂层的膜基结合力最佳，即当N2流量为150sccm时，膜基结合力最强。 (a) (b) (d) (c)图4-1 不同N2流量下试样表面的划痕形貌及声发射曲线4.1.2 AlCrN涂层的损伤机制研究图4.2为试样A3（N2流量为150sccm）表面涂层的划痕形貌，可以看出AlCrN涂层在压头的作用下没有明显的塑性变形，表现出较强的脆性，涂层形成褶皱，剥落形

12、式呈块状剥离，其主要原因在于AlCrN涂层的硬度较高。 (a) (b) (d) (c)图4.2 试样A3（N2流量为150sccm）表面涂层的划痕形貌4.2 AlCrN涂层的摩擦磨损特性及磨损机理研究4.2.1 AlCrN涂层的摩擦磨损特性分析图4.3为不同N2流量下试样表面磨痕的三维形貌及沿某一径向提取的磨痕轮廓线，可以看出在N2流量为150sccm时，磨痕较窄较浅，具有更好的摩擦学性能，这是由于此时膜基结合力最强，观察磨痕发现涂层的主要磨损机制为磨粒磨损与粘着磨损。当N2流量分别为50sccm、100sccm、150sccm时，磨痕宽度和深度较大，磨痕中存在有犁沟并有一定量的磨屑压实现象，

13、涂层磨损机制均为磨粒磨损和粘着磨损。表4.1为不同N2流量下AlCrN涂层经过摩擦磨损试验后的的磨损失重，从表中可以看出，当N2流量为150sccm时，AlCrN涂层的磨损失重最小，而当N2流量分别为50sccm、100sccm、150sccm时，AlCrN涂层的磨损失重量较大。整理数据后发现这写磨损失重量与上述显微硬度结果及磨损结果一致。表4.1 不同N2流量下AlCrN涂层的磨损失重N2流量/sccm重量/g磨损前m1/g磨损后m2/g磨损失重m507.76047.75990.00051007.78137.78100.00031507.80747.80720.00022007.82367.

14、82320.0004 (a) (d) (b) (c)流量/sccm50步骤12宽度m98.898.8最大高度m0.3901.78平均高度m0.2241.65图4.3不同N2流量下试样表面磨痕的三维形貌及沿某一径向提取的磨痕轮廓线（接下页） (e) (f)流量/sccm100步骤12宽度m165140最大高度m1.171.89平均高度m0.7581.65 (g) (j) (h) (i)流量/sccm150步骤12宽度m86.136.8最大高度m0.6340.850平均高度m0.4820.688 (k) (l)流量/sccm200步骤12宽度m69.656.3最大高度m4.102.66平均高度m3

15、.352.03图4.3 不同N2流量下试样表面的磨痕形貌及沿某一径向提取的磨痕轮廓线对试样的膜层进行摩擦磨损性能测试，摩擦磨损实验的参数设定为：电机转速为560r/min；摩擦磨损时间30min；试验过程中所采用的温度24；平均湿度6070%；外加载荷为5N；摩擦副为Si3N4钢球。磨损试样的尺寸：203mm，磨损半径为3mm。图4.4 为不同N2流量下试样表面涂层的摩擦磨损系数曲线。观察图4.4 可以发现，在磨损实验开始的前2min，涂层的摩擦系数有一个固定的范围值。这是因为在摩擦实验刚进行过程中，涂层相对于对磨球的对磨面的粗糙度较大，两者接触面积不完整有缺陷，使得摩擦系数不稳定并且波动。经

16、过一定时间的摩擦，对磨球与涂层表面接触面积增大，两者之间的粗糙度逐渐减小。摩擦磨损进入平稳摩擦，摩擦系数稳定在一个范围小的参数附近。在2min的磨合期过后，膜层的摩擦系数开始趋于稳定，其摩擦系数约为0.350.45之间（远比没有镀膜的刀具的摩擦系数0.7要低，且较快进入磨合的稳定期），且随N2流量的增大，试样表面涂层的摩擦磨损系数逐渐减小。此外，由图4.4 还可以看出，摩擦系数从波动状态到稳定状态经历的时间减少，根据分析这是因为在载荷的作用下对磨球与涂层表面对磨面积增大，摩擦磨损的前半部分所需时间变短，涂层表面快速破损。观察曲线发现，涂层摩擦磨损系数到达最终稳定值时有减小现象，分析其原因发现这

17、可能是因为两个对磨面在载荷的作用下相互摩擦，产生了大量磨损颗粒，这种颗粒的润滑作用使得对磨球与涂层间的摩擦磨损系数降低。 图4.4 不同N2流量下试样表面涂层的摩擦磨损系数曲线4.2.2 AlCrN涂层的磨损机理研究图4.5 为试样A3（N2流量为150sccm）表面涂层在干摩擦条件下的磨痕光学显微镜形貌，观察图像可以看出磨损表面主要分为两个区域，即边界磨损区和中心磨损区，边界磨损区域比较大，主要是粘附大量的磨屑、氧化物与涂层剥落损伤；中心磨损区比较窄，主要是磨粒磨损，其中AlCrN涂层的磨损表面有大量的犁沟，被挤压的磨屑和明显的涂层剥落。图4.5 试样A3（N2流量为150sccm）表面涂层

18、在干摩擦条件下的磨痕光学显微镜形貌4.3 本章小结本章主要对AlCrN涂层的膜基结合强度及划痕损伤机制、AlCrN涂层的摩擦磨损特性及磨损机理进行了分析，结果如下：（1）当其他条件相同时，在N2流量为150sccm时，膜基结合力最强。由AlCrN涂层的划痕形貌可知，AlCrN涂层在压头的作用下没有明显的塑性变形，表现出较强的脆性，涂层形成褶皱，剥落形式呈块状剥离。（2）在N2流量为150sccm时，AlCrN涂层的磨损失重量小于其他涂层，磨痕相比较下最窄较浅，其主要的磨损机制为磨粒磨损与粘着磨损。（3）AlCrN涂层的摩擦系数约为0.350.45之间，且随N2流量的增大，试样表面涂层的摩擦磨损

19、系数逐渐减小。在干摩擦条件下，通过显微观察发现AlCrN涂层的主要磨损机制为氧化磨损、磨粒磨损及涂层剥落损伤。 第五章AlCrN涂层刀具的切削和摩擦学特性5.1引言自上个世纪80年代起，物理气相沉积（PVD）技术涂层刀具的出现，大大的改良了生产制造业中的刀具性能，提高了生产效率，更节约了生产经费。但是随着制造业的飞速发展，原始的涂层刀具无法满足工人们的加工需求，于是各个国家积极寻找性能更加优良的涂层刀具，因此出现了切削性能更加良好A1CrN等涂层刀具，目前来说，A1CrN涂层刀具是商业化涂层刀具领域使用较为广泛的一种 3。另外，为满足高标准切削条件下对涂层刀具硬度、韧性、耐磨性和抗氧化性等要求

20、，越来越多的研究中心开始在传统的涂层中添加其他合金元素的方法来提高涂层的综合性能，其、包括Cr、Y、V、Si、B、Hf、Nb等稀有金属元素，未来涂层刀具发展前景不可限量。本章通过对比对多弧离子镀前后钨钢铣刀的铣削加工性能，研究A1CrN硬质合金涂层刀具切削不锈钢时的切削性能和摩擦学性能，观察刀具磨损后形貌特征，为研究不同条件下涂层刀具的性能提供数据参考。5.2铣削实验试验条件与方法在德国德玛吉立式加工中心（DMG635V）进行铣削试验如图5.1，实验过程中分别使用未镀膜钨钢铣刀和AlCrN涂层钨钢刀具铣削不锈钢，研究AlCrN涂层刀具的损伤机制和磨损特性。图5.1德国德玛吉立式加工中心试验条件

21、参数设置如下：铣削工件：不锈钢板（1Cr18Ni9Ti）力学性能如表5.1所示；刀具：AlCrN涂层钨钢刀具/未镀膜钨钢刀具；主轴转速：560r/min；进给量f：0.1mm/r；切削深度ap：0.2mm。表5-1 1Cr18Ni9Ti不锈钢的力学性能材料 抗拉强度/MPa硬度/HB屈服强度/MPa1Cr18Ni9Ti550160-190200使用夹具固定好不锈钢板，安装刀具后开始进行铣削实验。按照给定好的参数进行试验， 试验结束后将刀具夹具上取下，涂层刀具和未镀膜刀具均通过无水乙醇进行超声清洗，热风吹干，称重后记录磨损失重量。完成记录后，使用线切割机切下刀头（如图5.2），并结合激光共聚焦显

22、微镜对刀具磨损表面和微观结构以及元素组成进行观察和分析。图5.2使用线切割机切下刀头5.3试验结果与讨论对切削后的刀具使用显微镜观察发现，这两种刀具主要磨损部位为刀尖与前刀面磨损。如图5.3，其中未镀膜的钨钢基体刀具有崩刃现象。图5.3（a）AlCrN涂层刀具与（b）未镀膜的钨钢基体刀具刀具切削试验完量成后的失重量如表5.1所示。表5.1刀具磨损失重钨钢基体刀具AlCrN涂层刀具磨损前11.103510.9072磨损后11.095110.8726对比刀具磨损量和刀具显微观察图发现：（1）涂层刀具在切削试验后依旧能保持较为完整的形貌，磨损部位主要为刀面与刀刃部位，刀尖部分涂层发生脱落现象，刀刃部

23、位有轻微磨损。（2）未镀膜刀具在切削试验后损伤严重，刀尖发生崩刃现象，前刀面磨损严重，基体出现裂纹并且脱落。（3）涂层刀具在切削试验后的失重量远远小于未镀膜刀具，说明涂层刀具表面有更良好的耐磨性能。5.4刀具磨损机理分析图5.4为AlCrN涂层刀具和未镀膜刀具在V=650r/min，f=0.1mm，ap=0.2mm条件下铣削不锈钢后刀面的磨损形貌。从图中可以看出，前刀面有各种大小不一的褐色斑点，并有大量的粘结物，一般来说，这些粘结物是刀具与在工件不断接触时，由于摩擦力过大，来自于较软材料上的脱落物，这些切削从粘在刀面的底层上流过，行成内摩擦，在一定温度下，底层金属发生变形，不断地与金属粘结断裂

24、从而影响刀具质量。根据形貌图中可以看出，刀尖部分涂层损耗较多，发生脱落现象，并且随之出现明显的断层现象，因此可以分析为涂层刀具刀面磨损形式主要为粘着磨损，同时伴有一定量的磨料磨损，局部出现微崩刃，刀刃部分涂层剥落后露出部分基体，损坏刀具。图5.4（a）AlCrN涂层刀具与（b）未镀膜的钨钢基体刀具的磨损形貌在铣削过程中，表面首先会出现细小裂纹，分析这种现象是因为机械应力冲击刀具涂层表面，导致涂层与基体结合处发生损伤。随着铣削过程的进行，结合处的裂纹会迅速扩散，当这些裂纹逐渐扩散入基体内部时，基体表面涂层损伤严重，将开始出现浅层剥落，此时刀具仍然可以切削，但随着实验的进行，基体表面上中的裂纹逐渐

25、扩散，慢慢形成了网状裂纹，可能会出现深层剥落（如图5.5），深层剥落会严重损伤刀具表面，涂层大面积将失去作用，道具无法使用失效。此外，在工件铣削过程中，由于工件与刀具的反复接触摩擦产生高温，此时AlCrN薄膜可能会与空气中的氧分子发生剧烈的化学反应，产生大的氧化硬质颗粒，这些氧化硬质颗粒会附着在涂层刀具表面，可能加剧刀具表面的磨粒磨损，破坏涂层，使刀具磨损加剧，减少刀具寿命。图5.5 AlCrN涂层刀具5.5本章小结基于德国德玛吉立式加工中心（DMG635V）进行铣削试验，使用同种型号，未镀膜钨钢铣刀和AlCrN涂层钨钢刀具铣削不锈钢进行铣削试验，在同样的条件下对不锈钢进行了系统实验，试验结果

26、表明：（1）进行铣削实验时，当其他试验条件完全相同时，N2流量为150sccm，涂层刀具的摩擦磨损系数最优，同时观察切削后的刀具表面形貌发现所受损伤最小。（2）进行铣削实验时，根据刀具表面磨损形貌可以看出涂层刀具的性能明显优于未镀膜刀具的性能，主要表现为涂层刀具的耐磨性，抗氧化性和硬度都要强于未镀膜刀具。（3）实验中发现当涂层刀具基体表面发生磨损时，四种涂层刀具的磨损形态基本相近，主要为前刀面磨损和后刀面磨损。磨损部位多出现于前刀面和刀刃，其磨损机理主要表现为粘着磨损，机械应力损耗和氧化磨损。结论本文利用多弧离子镀技术，采用AlCr合金靶材在钨钢表面沉积AlCrN涂层，研究不同N2流量对AlC

27、rN涂层显微组织及性能的影响，并选择最佳工艺参数制备具有AlCrN涂层的钨钢刀具，研究了AlCrN的显微硬度、基体结合强度、耐磨性等参数。通过切削试验与未镀膜刀具进行对比，研究了涂层刀具的损伤机制,得出以下结论：（1）通过对比不同N2流量下的AlCrN涂层的XRD可知，不同氮气浓度下AlCrN薄膜的形貌，致密度不同，在较高气压下，薄膜组织变得致密，结晶好，柱状晶明显，因此衍射峰更明显，而低气压下，薄膜组织致密度低，结晶差，导致衍射峰比较弱。（2）通过显微硬度观察发现随N2流量的增加，AlCrN涂层的显微硬度呈现先增后减的趋势。当N2流量为150sccm时，AlCrN涂层的平均显微硬度最大。这是

28、因为随着氮气分压的增大，图层表面生成具有适当化学剂量比的面立方结构体，降低了离子间距；因此涂层硬度也随之增大。但是，当氮气分压持续增加至临界点时，氮气分子对金属离子产生的冷却和散射作用也随之增强，这时对图层表面影响巨大，导致涂层的硬度下降。（3）通过划痕损伤鉴定发现，当其他条件相同时，在N2流量为150sccm时，膜基结合力最强。由AlCrN涂层的划痕形貌可知，AlCrN涂层在压头的作用下没有明显的塑性变形，表现出较强的脆性，涂层形成褶皱，剥落形式呈块状剥离。（4）通过摩擦磨损试验可得知AlCrN涂层的摩擦系数约为0.350.45之间，且随N2流量的增大，试样表面涂层的摩擦磨损系数逐渐减小。同时如果摩擦磨损在干摩擦的条件下进行，那么AlCrN涂层的主要磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损及涂层剥落损伤。（5）通过铣削试验发现AlCrN涂层刀具的硬度、耐磨性等均强于未镀膜刀具，切削速度提升效果显著。通过试验观察发现切削过程中涂层刀具的主要磨损形态为：前刀面磨损、后刀面磨损，当涂层刀具表面发生磨损时，首先切削刃刀刃处涂层发生破损，出现网状裂纹，然后涂层与基体共同磨损，高速摩擦下，切屑与刀具发生粘结作用，涂层上的网状裂纹表面间隙增大，涂层表面大量剥落，最后基体上的涂层在粘结磨损和氧化磨损的共同作用下作用下快速磨损。实验过后观察刀具主要磨损机理有三种，其中包括粘着磨损、机械应力和氧化磨损。