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正文內(nèi)容

耐磨涂層碩士學位論文(編輯修改稿)

2024-07-19 18:49 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 涂層的作用機理和影響因素 刀具磨損的原因在切削過程中,刀具與工件之間發(fā)生了強烈的摩擦、熱和化學作用,使得刀具切削部分逐漸磨損或局部破損,最終失去切削能力。刀具磨損機理研究表明,在高速切削時,切削溫度可達800176。C以上,此時刀具磨損的原因不僅是機械擦傷磨損,還有粘結(jié)磨損、相變磨損、擴散磨損和氧化磨損。工件材料中的硬質(zhì)點,如各種碳化物、氧化物等,在刀具表面刻劃而造成機械擦傷磨損。在較高的切削溫度情況下,刀具前、后刀面上的一些突出點會與工件、切屑發(fā)生粘結(jié),粘結(jié)點逐漸地被工件或切屑剪切、撕裂而帶走,發(fā)生粘結(jié)磨損。刀具材料與工件材料的化學親和力越大,粘結(jié)磨損越嚴重。當切削溫度超過刀具的最終熱處理溫度時,刀具表層會發(fā)生相變而導致硬度下降,從而加速刀具磨損,這稱為相變磨損。在高切削溫度下,刀具與工件、切屑中的元素相互擴散滲透,使刀具材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,硬度和強度下降,促使刀具迅速磨損,這稱為擴散磨損。切削溫度過高,刀具材料被氧化,形成疏松而脆弱的氧化物,導致氧化磨損。由于刀具磨損主要發(fā)生在表面,因此在表面鍍上一層硬度高、耐磨損、化學性能穩(wěn)定、不易氧化、抗粘結(jié)性好、和基體附著牢固的涂層,對于改善刀具的切削性能,提高刀具的耐用度效果明顯?!∧湍ネ繉拥淖饔脵C理從刀具磨損機理上進行分析,涂層提高刀具切削性能的原因有[44]: 耐磨屏障作用常用涂層材料都具有硬度高、導熱系數(shù)小、耐熱性好、形成自由能低等特點。涂層材料硬度高,可在刀屑、刀工件界面起到應力屏障作用,避免發(fā)生機械擦傷磨損。涂層的導熱系數(shù)小,可防止切削熱大量傳入刀體,起到熱屏障作用,有效防止相變磨損。而涂層本身的耐熱性好,可保證刀具在較高溫度下的切削作用。涂層材料的形成自由能低,化學性質(zhì)穩(wěn)定,可有效防止環(huán)境介質(zhì)對刀面的化學侵蝕作用,從而起到化學擴散屏障的作用?!」腆w潤滑作用由于涂層材料的形成自由能低,化學性能穩(wěn)定,與工件材料的化學親和力小,可有效地起到抗粘結(jié)的作用。在高切削溫溫度下,TiC、TiN等材料可以氧化生成較軟的TiO2膜,Al2O3在800℃以上也具有相當?shù)乃苄裕@些氧化層可起到極壓潤滑作用。從切削摩擦學來看,這兩方面的作用都使涂層起到了很好的固體潤滑作用,它不僅使刀具抗粘結(jié)磨損的能力增強,而且對降低切削力、切削溫度和提高加工質(zhì)量均有好處?!∮绊懲繉拥毒咝阅艿囊蛩赜绊懲繉拥毒呤褂眯阅艿囊蛩刂饕幸韵聨追矫妫骸⊥繉拥男阅芡繉拥男阅苋缤繉拥挠捕?、韌性、化學穩(wěn)定性、附著性等,主要取決于涂層的成分、涂層沉積設(shè)備和沉積工藝?!』w的性能刀具基體是保持涂層刀具整體強度、支撐涂層的基礎(chǔ),所以應具有足夠的強度、硬度和韌性。避免因基體在切削力作用下變形過大而致使涂層產(chǎn)生裂紋或剝落,或因基體脆斷而使涂層刀具破損失效?!”患庸げ牧贤瑯拥囊话淹繉拥毒撸S著加工材料的不同,其切削壽命的差別亦很大。被加工材料的硬度、切削加工性和與涂層材料的親和力等因素會影響涂層刀具的使用性能。一般情況下,涂層刀具適合加工高硬度的調(diào)質(zhì)材料、高合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼等難加工材料?!∏邢饔昧吭诟叩那邢饔昧康那闆r下,涂層刀具具有較高的壽命和高的耐用度,就這個意義上講,涂層刀具更適合于高速切削,但在低切削用量下進行切削,涂層刀具也具有好的耐磨性,并可得到高的表面加工質(zhì)量?!C床剛度優(yōu)質(zhì)的涂層刀具在正常切削情況下涂層不會剝落,顯示出優(yōu)良的切削性能。但如果機床在切削中振動很大,這時會導致涂層非正常剝落,涂層一旦剝落也就顯不出涂層刀具的優(yōu)越性。但需要指出的是,在強烈振動下使用涂層刀具,并非剛開始切削涂層就剝落,這種剝落是在切削中逐漸進行的?!〉毒邘缀螀?shù)一般說來,涂層刀具當后角偏大時會得到更滿意的性能。如拉刀、鉸刀、磨制鉆頭等精加工刀具,增加后角后,涂層的效果明顯提高?!”菊n題的背景和由來我國的離子鍍技術(shù)起步于20世紀80年代中期,由于缺乏科研和實際應用的有機配合,刀具涂層技術(shù)的開發(fā)研究和應用與國外存在相當大的差距。涂層產(chǎn)品仍以單層TiN涂層為主,少數(shù)合資企業(yè)可生產(chǎn)多元涂層,但也存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。國內(nèi)高品質(zhì)刀具主要依賴進口,以汽車生產(chǎn)行業(yè)為例,80%的機加工刀具依賴進口,其價格為國產(chǎn)的幾倍到十幾倍[45]。因此,必須加強對高性能多元涂層的研究和開發(fā)以提高我國的涂層技術(shù)水平。基于當前科技發(fā)展和應用的要求,本文嘗試在多元氮化物涂層和MoS2Ti復合涂層的研究和應用方面做出努力。本文的研究工作得到山東省科學技術(shù)發(fā)展計劃項目(032110102)的資助,這為本文的順利完成提供了資金上的重要保障。 本課題的研究內(nèi)容(1)制備TiAlN、CrTiAlN、CrSiN多元復合硬涂層,并研究其組織結(jié)構(gòu)與硬度、附著性的關(guān)系。(2)制備不同鈦含量的MoS2Ti復合涂層,研究鈦含量對涂層組織結(jié)構(gòu)、性能的影響及機制。(3)制備TiAlN+MoS2Ti、CrTiAlN+MoS2Ti、CrSiN+MoS2Ti復合涂層,并研究其性能。(4)把制備的涂層應用于鉆頭、絲錐、銑刀、環(huán)槽刀等工具上,用于加工鋁合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼等材料,測試涂層的使用性能,并研究不同涂層的適用范圍。12山東大學碩士學位論文第二章 實驗方法及原理 磁控濺射離子鍍原理與設(shè)備 磁控濺射離子鍍原理磁控濺射離子鍍的工作原理如圖21所示,把沉積室抽至本底真空度2~4103 Pa后,通入氬氣,~ Pa。在輔助陽極和陰極磁控靶之間加200~1000 V的直流電壓,產(chǎn)生低壓氣體輝光放電。氬離子在電場作用下轟擊磁控靶面,濺出靶材原子。靶材原子在飛越放電空間時部分電離,靶材離子經(jīng)基體負偏壓(30~1000 V)的加速作用,與中性原子一起在基體上沉積形成涂層。圖21 磁控濺射離子鍍原理圖Fig. 21 Elementary diagram of magnetron sputtering ion plating1-真空室;2-磁控電源;3-永久磁鐵;4-磁控靶;5-磁控陽極;6-真空系統(tǒng);7-基體;8-偏壓電源;9-進氣系統(tǒng) 磁控濺射離子鍍偏置基體的伏安特性磁控濺射離子鍍涂層的質(zhì)量受到達基體上的離子通量和離子能量的影響。離子必須具有合適的能量,它決定于在放電空間中電離碰撞能量交換以及離子加速的偏壓值。還要后足夠數(shù)量的離子到達基體,即離子到達比。在離子鍍中實用工藝參數(shù)就是工件的偏壓和偏流密度(離子電流密度)。偏置基體的伏安特性,即偏壓和偏流關(guān)系,可分為兩類:恒流特性和恒壓特性。恒流特性的特點是,靶基距較大時,基體位于距靶面較遠的弱等離子體區(qū)內(nèi),這時偏流為受離子擴散限制的離子電流,最初偏流隨負偏壓上升而增大,當負偏壓上升到一定程度以后,偏流基本上飽和,處于恒流狀態(tài)。恒壓特性的特點是,靶基距較小時,基體位于距靶面附近的強等離子體區(qū)內(nèi),這時偏流為受正電荷空間分布限制的離子電流,偏流始終隨負偏壓的上升而增大,當負偏壓上升到一定程度后,處于恒壓狀態(tài)。對于磁控濺射離子鍍,要求偏壓和偏流可獨立調(diào)節(jié),且要求偏流穩(wěn)定,這些都只有在恒流狀態(tài)下才能實現(xiàn)。對于不同的靶結(jié)構(gòu),不同的靶功率,不同的基體大小,不同的沉積室結(jié)構(gòu)而言,產(chǎn)生恒流狀態(tài)的條件是不同的。要使沉積速率達到實用的要求,必須使偏流既可獨立可調(diào),又有較大的密度。提高偏流密度,實質(zhì)上是提高基體附近的等離子體密度。采用兩個以上的非平衡磁控陰極形成封閉的磁場,是磁控濺射離子鍍技術(shù)中提高等離子體密度的基本措施。封閉磁場能夠?qū)﹄娮舆M行最有效的約束,使整個沉積室的等離子體密度得以提高。如英國Teer公司的封閉場非平衡磁控濺射離子鍍(Closed Field Unbalanced Magnetron Sputtering Ion Plating,CFUBMSIP)設(shè)備(如圖22),其離子電流密度比傳統(tǒng)磁控濺射離子鍍的高很多,圖23顯示了不同磁控濺射離子鍍系統(tǒng)偏置基體的伏安特性?!D22 封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備及其示意圖Fig. 22 The CFUBMSIP equipment and its schematic illustration圖23 不同磁場分布時偏置基體的伏安特性[46]Fig. 23 Ion current vs. bias voltage for various magnetic arrangements 封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備本文采用英國Teer涂層公司生產(chǎn)的UDP-650型封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備,該設(shè)備裝有四個磁控靶,試樣與靶面的距離為100~200 mm?;w偏壓電源為脈沖直流電源,頻率為250 kHz,脈沖寬度為500 ns。封閉場非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備的優(yōu)勢:(1)可以在高基體偏壓下對基體進行高效的離子清洗,涂層的附著性優(yōu)良;在較低的基體偏壓下可獲得高密度的低轟擊能離子流,鍍制的涂層致密、晶粒細小、內(nèi)應力低、表面光滑、機械性能優(yōu)異;(2)可以方便地更換靶材,各個靶的功率可以單獨控制,有利于制備多元涂層、梯度涂層和多層涂層;(3)可以靈活地更換和控制工作氣體,并通過等離子體發(fā)射光譜監(jiān)控器(Optical Emission Monitor,OEM)自動控制反應氣體的流量,能實現(xiàn)合金涂層、氮化物、碳化物、氧化物涂層的沉積;(4)樣品臺可以做三軸轉(zhuǎn)動,減小了濺射沉積的遮蔽效應,從而提高了涂層的均勻性;(5)沉積過程由計算機自動控制,具有良好的穩(wěn)定性和可重復性,適于大規(guī)模生產(chǎn)。 涂層試樣的制備 基體材料的選取與基體預處理W6Mo5Cr4V2高速鋼是最常用的工具鋼,廣泛應用于制造各類車刀、銑刀、鉆頭、絲錐和齒輪刀具。因此,選用W6Mo5Cr4V2高速鋼作為涂層基體具有普遍性和實際意義。W6Mo5Cr4V2高速鋼棒料經(jīng)鍛造、等溫退火后,經(jīng)標準的淬火、回火處理,硬度為64~66 HRC。用電火花線切割成25 mm16 mm3 mm的方塊試樣,、400、600、800、1000、1200金相砂紙研磨,并拋光。為了制備質(zhì)量優(yōu)良的涂層,必須對基體進行嚴格的清洗。先在金屬清洗液中超聲波清洗15 min除污,然后在丙酮中超聲波清洗15 min脫水?!⊥繉映练e工藝設(shè)計依據(jù)涂層設(shè)計思路,結(jié)合前期的試驗工作,制定各種涂層的沉積工藝。為了提高涂層與基體的結(jié)合強度,在涂層與基體間制備中間過渡層,用以減小涂層與基體的性能差異所造成的內(nèi)應力?!《嘣锿繉映练e工藝設(shè)計制備氮化物涂層時,使用鈦靶、鋁靶、鉻靶或硅靶,工作氣體為氬氣和氮氣。沉積的基本過程為:(1)離子轟擊清洗:沉積室抽真空至本底氣壓為2~4103 Pa,然后通入氬氣,~ Pa,在低的靶電流和高基體偏壓400~500 V下,對基體進行離子轟擊清洗20 min;(2)金屬打底:增加鈦靶(或鉻靶)電流,降低基體偏壓為120~150 V,用具有較高能量的金屬離子轟擊基體表面,促進界面混合;(3)沉積金屬中間層:降低基體偏壓為60 V, μm厚的金屬鈦層(或鉻層),沉積時間5~8 min;(4)沉積二元氮化物層:通入氮氣,氮氣流量由等離子體發(fā)射光譜監(jiān)控器自動控制,沉積TiN(或CrN)層10~20 min;(5)沉積過渡層:基體偏壓為75 V,逐漸增加其它靶的電流,實現(xiàn)由二元涂層向多元涂層的逐漸過渡,沉積時間60 min;(6)沉積多元氮化物層:保持各工藝參數(shù)不變,沉積多元氮化物層,沉積時間60 min或120 min。TiAlN涂層沉積時使用兩個相對的鈦靶和兩個相對的鋁靶,本底氣壓為2~4103 Pa,氬氣流量恒為10 sccm,利用等離子體發(fā)射光譜監(jiān)控器控制氮氣的流量,~ Pa,沉積室溫度低于200℃,沉積工藝參數(shù)如表21所示。表21 TiAlN涂層沉積工藝參數(shù)Table 21 Deposition process of the TiAlN coating步驟OEM值(%)偏壓(V)Ti靶電流(A)Al靶電流(A)Ti靶電流(A)Al靶電流(A)沉積時間(min)1OFF50000202OFF12040408310060808084100~6045808020565758~48~46065575848460表22 CrTiAlN涂層沉積工藝參數(shù)Table 22 Deposition process of the CrTiAlN coating步驟OEM值(%)偏壓(V)Cr靶電流(A)Ti靶電流(A)Cr靶電流(A)Al靶電流(A)沉積時間(min)1OFF400202OFF15044103100604454100~60604410560754~84~86065075484860/120CrTiAlN涂層沉積時使用兩個相對的鉻靶、一個鈦靶和一個鋁靶,本底氣壓為2~4103 Pa,氬氣流量恒為50 sccm,利用等離子體發(fā)射光譜監(jiān)控器控制氮氣的流量,~ Pa,沉積室溫度低于200℃,沉積工藝參數(shù)如表22所示。CrTiAlN涂層有兩種沉積時間不同的涂層,最后階段的沉積時間分別為60 min和120 min,分別記為CrTiAlNⅠ和CrTiAlNⅡ。CrSiN涂層沉積時使用三個鉻靶和一個硅靶,本底氣壓為2~4103 Pa,~ Pa,沉積溫度低于200℃。在500V基體偏壓下進行離子清洗20 min,然后降低基體偏壓沉積Cr層/CrN層/過渡層,最后沉積CrSiN復合層,CrSiN均勻?qū)映练e時間為120 min?!oS2Ti涂層沉積工藝設(shè)計使用鈦靶和二硫化鉬靶,本底氣壓為2104 Pa,氬氣流
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