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耐磨涂層碩士學(xué)位論文-在線瀏覽

2024-08-02 18:49本頁(yè)面
  

【正文】 六章 結(jié) 論 51 結(jié)論 51 本文的創(chuàng)新點(diǎn) 51參考文獻(xiàn) 52致 謝 57攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文 58IV摘 要涂層技術(shù)是提高刀具性能的重要手段。為了獲得性能優(yōu)良的刀具涂層,本文對(duì)多元氮化物涂層和MoS2Ti涂層的進(jìn)行了制備和研究,并在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中對(duì)涂層的使用性能進(jìn)行了測(cè)試,試圖找到不同涂層的適用范圍。通過引入中間過渡層的方法來(lái)提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。并把研制的涂層應(yīng)用于多種刀具上,加工結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金和不銹鋼零件。劃痕試驗(yàn)表明,涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高,TiAlN涂層的臨界載荷Lc=58 N,CrTiAlN和CrSiN涂層的臨界載荷Lc>60 N。在基體與多元氮化物涂層之間加入Ti/TiN或Cr/CrN中間過渡層大大提高了涂層的附著性, Cr/CrN中間過渡層的效果更好。MoS2Ti涂層具有優(yōu)異的附著性,臨界載荷Lc>100 N。在大氣環(huán)境中的球盤磨損試驗(yàn)顯示,MoS2HTi涂層的耐磨性比MoS2涂層好,1017 m3m1。保持了MoS2涂層低摩擦的特性。研制的多種涂層在多家企業(yè)選擇了多種刀具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),針對(duì)不同切削加工條件,特別是難加工材料,調(diào)整涂層成分、結(jié)構(gòu),優(yōu)化涂層種類和工藝,使工具使用壽命提高了1~9倍,被加工零件表面精度也明顯提高,達(dá)到了國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。N1隨著機(jī)械制造業(yè)對(duì)高生產(chǎn)率、高質(zhì)量、低成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的追求,高速切削、干切削和硬切削等新型切削工藝已成為當(dāng)前切削技術(shù)發(fā)展的主流。這些新型切削工藝和難加工材料對(duì)刀具性能提出了更高的要求,理想的刀具不但應(yīng)具有高硬度、高耐磨性和高溫穩(wěn)定性,而且應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性。涂層刀具是在韌性較好的刀具基體上制備一層或多層耐磨涂層,使刀具既有較高的韌性,又有很高的硬度和耐磨性。硬涂層包括:金剛石、類金剛石碳(DLC)、立方氮化硼(cBN)、TiN、TiC、CrN、TiCN、TiAlN、TiBAl2O3等,其優(yōu)點(diǎn)是硬度高,耐磨性好。涂層技術(shù)可以使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能,延長(zhǎng)刀具使用壽命,允許使用更高的切削速度,從而提高加工效率和加工精度,降低加工成本。為滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對(duì)高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各國(guó)制造業(yè)對(duì)涂層技術(shù)的發(fā)展及其在刀具制造中的應(yīng)用日益重視。因此,瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)涂層技術(shù),有計(jì)劃、有步驟地發(fā)展刀具涂層技術(shù)(尤其是PVD技術(shù)),對(duì)于提高我國(guó)的刀具制造水平具有重要意義。20世紀(jì)60年代末,化學(xué)氣相沉積TiC和TiN涂層技術(shù)已經(jīng)成熟,并大規(guī)模用于涂層硬質(zhì)合金刀片及Cr12系列模具鋼[2]。但CVD技術(shù)亦有其先天缺陷:一是沉積溫度高(500℃~1000℃),易造成刀具材料性能下降;二是涂層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài),易導(dǎo)致刀具使用時(shí)產(chǎn)生微裂紋;三是CVD工藝排放的廢氣、廢液會(huì)造成較大環(huán)境污染。20世紀(jì)80年代末,開發(fā)了等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)技術(shù),降低了化學(xué)氣相沉積的沉積溫度,可對(duì)高速鋼刀具進(jìn)行涂層處理。國(guó)內(nèi)CVD技術(shù)的總體發(fā)展水平與國(guó)際水平基本保持同步?!R射鍍?yōu)R射鍍通常是利用低壓氣體放電產(chǎn)生等離子體,其正離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極靶,濺射出的靶材原子或分子飛向基體表面沉積成涂層。 MHz的高頻交變電場(chǎng)使氣體放電產(chǎn)生等離子體,射頻濺射既可濺射金屬靶材,也可濺射絕緣靶材。磁控濺射利用磁場(chǎng)控制二次電子運(yùn)動(dòng),延長(zhǎng)其在靶面附近的行程,增加與氣體碰撞的幾率,提高等離子體的密度,從而提高靶材的濺射速率,最終提高沉積速率[3]。傳統(tǒng)磁控陰極的磁場(chǎng)集中在靶面附近,磁場(chǎng)將等離子體緊密地約束在靶面附近,基體附近等離子體很弱,基體不會(huì)受到離子和電子的較強(qiáng)轟擊。圖11 傳統(tǒng)磁控濺射和非平衡磁控濺射的特性Fig. 11 The character of conventional and unbalanced magnetron sputtering 空心陰極離子鍍空心陰極離子鍍是在空心熱陰極弧光放電和離子鍍技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種沉積技術(shù)??招年帢O離子鍍的離化率高,高能中性粒子密度大,對(duì)基體的濺射清洗效果好,鍍層的附著性和致密性好,可獲得高質(zhì)量的金屬或化合物涂層。在工具上鍍硬質(zhì)耐磨涂層效果良好,但由于工件架在坩堝的上方,裝卡工件系統(tǒng)比較復(fù)雜,操作麻煩,適合多品種、小批量的生產(chǎn)。電弧離子鍍具有離化率高、沉積速率大、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),可以沉積金屬涂層、合金涂層和各種化合物涂層(氮化物、碳化物、氧化物),已廣泛應(yīng)用于涂鍍刀具、模具的硬質(zhì)涂層,是目前應(yīng)用較廣的涂層技術(shù)。因此,電弧離子鍍被排斥于光學(xué)和電子學(xué)的應(yīng)用范圍,并限制了在精密加工和摩擦學(xué)等方面的應(yīng)用。但是,過濾弧源存在的共同缺點(diǎn)是:(1)束流直徑小,通常在200 mm以下,而且不易組成多弧源陣列,使得大面積和大批量的工業(yè)生產(chǎn)不能實(shí)現(xiàn);(2)傳輸效率有待進(jìn)一步提高,目前彎管結(jié)構(gòu)最高的傳輸效率為25%左右[6],離子電流只是電弧電流的2%~3%。磁控濺射離子鍍可以在涂層與基體的界面上形成明顯的混合界面,提高了涂層的附著強(qiáng)度;可以消除涂層的柱狀組織,生成均勻的顆粒狀組織結(jié)構(gòu),涂層組織致密,表面光滑。較之CVD技術(shù),PVD技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn):沉積溫度在500℃以下,不影響基體材料強(qiáng)度,可用于高速鋼精密刀具的涂層處理;對(duì)環(huán)境無(wú)不利影響?!∧湍ネ繉拥陌l(fā)展現(xiàn)狀 硬涂層由于TiN、TiC等單一二元涂層材料難以滿足提高涂層綜合性能的要求,因此涂層材料向多元涂層、多層涂層和納米復(fù)合涂層的方向發(fā)展。這是因?yàn)?,容易沉積得到高硬度、耐磨損的立方TiN相,并且TiN涂層具有漂亮的金黃色。另一種常用的硬涂層為CrN,CrN的硬度比TiN低,耐高溫性和韌性比TiN好。理論分析表明,許多晶體結(jié)構(gòu)相同且金屬原子半徑差小于15%的過渡金屬氮化物、碳化物往往可以彼此互溶[8]。如在二元TiN基礎(chǔ)上研制出的一些多元涂層TiCN、TiAlN、TiCrN、TiZrN等均表現(xiàn)出良好的性能。鋁含量低的Ti1xAlxN涂層為單一的立方結(jié)構(gòu)Ti1xAlxN相,隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量增加,晶格常數(shù)減?。?,Ti1xAlxN涂層中出現(xiàn)較軟的六方結(jié)構(gòu)AlN相,然后隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量降低[10,11]。另一方面,高鋁含量的Ti1xAlxN涂層的抗氧化性更好,x = ℃以上[10]。據(jù)計(jì)算,AlN在CrN中的固溶度比在TiN中的固溶度大,Makino等人[14,15]沉積得到了x = 。另一方面,CrN的抗氧化性和韌性比TiN好,在涂層的鋁含量不變的情況下,CrTiAlN涂層的抗氧化性和韌性有可能比TiAlN涂層好。研究表明,向TiAlN涂層中添加少量的鉻就能提高涂層的抗氧化溫度,℃,℃[16]。實(shí)驗(yàn)證明,℃,硬度達(dá)到3500 HV,其耐磨性比TiAlN涂層的耐磨性好?!《鄬佑餐繉佣鄬咏Y(jié)構(gòu)的界面效應(yīng),可以提高涂層的硬度、改善涂層韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力。絕大多數(shù)多層涂層屬于第一類,如TiN/TiC、TiN/TiAlN、TiN/TiCN/TiC等多層涂層,已成功地應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具上,使用壽命比單一TiN涂層刀具提高一倍以上。這類多層超點(diǎn)陣涂層的硬度與周期層厚有很大關(guān)系,當(dāng)周期層厚為幾納米時(shí),涂層的硬度可達(dá)到50 GPa?!〖{米復(fù)合超硬涂層納米復(fù)合涂層是由納米晶和非晶相組成的復(fù)合涂層。另一方面,非晶相可以很好的容納隨機(jī)取向的晶粒錯(cuò)配。按此思路研制的ncTiN/aSi3NncW2N/aSi3NncVN/aSi3N4等納米復(fù)合涂層的硬度高達(dá)50 GPa[25]。CrN涂層具有優(yōu)異的抗氧化性能,阻礙其作為刀具涂層的是它的硬度較低(1800 HV)?!≤浲繉覯oS2具有層狀結(jié)構(gòu),層內(nèi)原子以共價(jià)鍵結(jié)合,層間以范德瓦爾斯力結(jié)合,在臨近的硫原子層間容易發(fā)生滑動(dòng),是常用的固體潤(rùn)滑材料。近來(lái),MoS2涂層在大氣和高濕度條件下的應(yīng)用正在不斷被重視,從環(huán)境和成本方面考慮,在切削加工、藥品、食品、服裝行業(yè)中,使用固體潤(rùn)滑涂層代替液體潤(rùn)滑劑具有很大的優(yōu)勢(shì)。采用固體潤(rùn)滑涂層刀具可以實(shí)現(xiàn)干切削或減少切削液的用量,從而降低加工費(fèi)用,并改善環(huán)境。為了提高M(jìn)oS2涂層在大氣中的摩擦性能,主要的方法是通過共沉積各種物質(zhì)形成MoS2基復(fù)合涂層,共沉積的物質(zhì)有:Au、Pb、Ti、Cr、Zr、W、WSe2等[28,29]。由于沉積工藝的不同,復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)分為混合結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)兩種。結(jié)果顯示,四種共沉積物質(zhì)都明顯提高M(jìn)oS2涂層的摩擦性能,其中WSe2的效果最好,其次為Au、Ti、Cr。英國(guó)Teer涂層公司用非平衡磁控濺射離子鍍法沉積MoS2金屬?gòu)?fù)合涂層,研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層為非晶體,不呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)。研究表明[32],在MoS2涂層中分別加入金屬Ti、Zr和Cr,涂層性能并沒有較大差異,金屬含量為10%~20%時(shí)復(fù)合涂層的耐磨性最好,而只需加入約5%W涂層的耐磨性能就很好。在大量的切削和成型應(yīng)用中,MoS2Ti復(fù)合涂層顯示出優(yōu)異的效果。而摩擦性能的改進(jìn)是以摩擦系數(shù)的提高為代價(jià)的,摩擦系數(shù)隨Ti含量的增加而增加。雖然目前成功制備了高性能的MoS2金屬?gòu)?fù)合涂層,但是金屬原子在涂層中的存在形式和金屬元素的攙雜對(duì)涂層性能的影響機(jī)理仍不清楚。多層結(jié)構(gòu)MoSx/Au、MoSx/Ni、MoSx/Ti和MoSx/Pb復(fù)合涂層在潮濕空氣中的摩擦性能和耐磨性都比純MoS2涂層好[37,38]。研究發(fā)現(xiàn)[34],當(dāng)MoSx層厚度為20 nm時(shí),隨金屬層(Ti和Pb)厚度增加,復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)升高,耐磨性下降。 硬軟復(fù)合涂層軟硬復(fù)合涂層通常有兩種方式,一是層狀復(fù)合,即在硬涂層上再鍍軟涂層;二是混合復(fù)合,即硬質(zhì)相和軟質(zhì)相均勻混合在一起。TiNMoS2混合涂層的硬度可達(dá)到20 GPa,這種復(fù)合涂層具有一定的應(yīng)用潛力[42,43]。刀具磨損機(jī)理研究表明,在高速切削時(shí),切削溫度可達(dá)800176。工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn),如各種碳化物、氧化物等,在刀具表面刻劃而造成機(jī)械擦傷磨損。刀具材料與工件材料的化學(xué)親和力越大,粘結(jié)磨損越嚴(yán)重。在高切削溫度下,刀具與工件、切屑中的元素相互擴(kuò)散滲透,使刀具材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,硬度和強(qiáng)度下降,促使刀具迅速磨損,這稱為擴(kuò)散磨損。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(xué)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(duì)于改善刀具的切削性能,提高刀具的耐用度效果明顯。涂層材料硬度高,可在刀屑、刀工件界面起到應(yīng)力屏障作用,避免發(fā)生機(jī)械擦傷磨損。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。 固體潤(rùn)滑作用由于涂層材料的形成自由能低,化學(xué)性能穩(wěn)定,與工件材料的化學(xué)親和力小,可有效地起到抗粘結(jié)的作用。從切削摩擦學(xué)來(lái)看,這兩方面的作用都使涂層起到了很好的固體潤(rùn)滑作用,它不僅使刀具抗粘結(jié)磨損的能力增強(qiáng),而且對(duì)降低切削力、切削溫度和提高加工質(zhì)量均有好處。 基體的性能刀具基體是保持涂層刀具整體強(qiáng)度、支撐涂層的基礎(chǔ),所以應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、硬度和韌性?!”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。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?!C(jī)床剛度優(yōu)質(zhì)的涂層刀具在正常切削情況下涂層不會(huì)剝落,顯示出優(yōu)良的切削性能。但需要指出的是,在強(qiáng)烈振動(dòng)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(jìn)行的。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。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。因此,必須加強(qiáng)對(duì)高性能多元涂層的研究和開發(fā)以提高我國(guó)的涂層技術(shù)水平。本文的研究工作得到山東省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)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。(2)制備不同鈦含量的MoS2Ti復(fù)合涂層,研究鈦含量對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)、性能的影響及機(jī)制。(4)把制備的涂層應(yīng)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(cè)試涂層的使用性能,并研究不同涂層的適用范圍。在輔助陽(yáng)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。靶材原子在飛越放電空間時(shí)部分電離,靶材離子經(jīng)基體負(fù)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。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。在離子鍍中實(shí)用工藝參數(shù)就是工件的偏壓和偏流密度(離子電流密度)。恒流特性的特點(diǎn)是,靶基距較大時(shí),基體位于距靶面較遠(yuǎn)的弱等離子體區(qū)內(nèi),這時(shí)偏流為受離子擴(kuò)散限制的離子電流,最初偏流隨負(fù)偏壓上升而增大,當(dāng)負(fù)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)。對(duì)于磁控濺射離子鍍,要求偏壓和偏流可獨(dú)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(shí)現(xiàn)。要使沉積速率達(dá)到實(shí)用的要求,必須使偏流既可獨(dú)立可調(diào),又有較大的密度。采用兩個(gè)以上的非平衡磁控陰極形成封閉的磁場(chǎng),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。如英國(guó)Teer公司的封閉場(chǎng)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?;w偏壓電源為脈沖直流電源,頻率為250 kHz,脈沖寬度為500 ns?!⊥繉釉嚇拥闹苽洹』w材料的選取與基體預(yù)處理W6Mo5Cr4V2高速鋼是最常用的工具鋼,廣泛應(yīng)用于制造各類車刀、銑刀、鉆頭、絲錐和齒輪刀具。W6Mo5Cr4V2高速鋼棒料經(jīng)鍛造、等溫退火后,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)的淬火、回火處理,硬度為64~66 HRC。為了制備質(zhì)量?jī)?yōu)良的涂層,必須對(duì)基體進(jìn)行嚴(yán)格的清洗?!⊥繉映练e工藝設(shè)計(jì)依據(jù)涂層設(shè)計(jì)思路,結(jié)合前期的試驗(yàn)工作,制定各種涂層的沉積工藝?!《嘣锿繉映练e工藝設(shè)計(jì)制備氮化物涂層時(shí),使用鈦靶、鋁靶、鉻靶或硅靶,工作氣體為氬氣和氮?dú)?。TiAlN涂層沉積時(shí)使用兩個(gè)相對(duì)的鈦靶和兩個(gè)相對(duì)的鋁靶,本底氣壓為2~4103 Pa,氬氣流量恒為10 sc
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