硬质合金锯片CrN涂层的制备及降噪技术研究

• 作 者: 卢帅
• 出 处: 济南大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 磁控溅射 CrN涂层 工艺参数 摩擦磨损 动态特性

硬质合金圆锯片作为一种切割工具,广泛用于切割和开槽金属材料,也是木材加工最常用的刀具。切削过程中,刀具与工件材料之间的摩擦磨损是引起刀具失效、寿命缩短的主要因素。在刀具表面形成特殊的硬质涂层,目前已成为提高加工精度、延长刀具使用寿命以及降低生产成本的主要途径。此外,圆锯片切削工件时,高速旋转的圆锯片与工件之间的接触摩擦会产生严重的噪声,对工人的身心和车间环境造成极大的危害,通过对圆锯片结构优化可以有效的减少噪声,保护工人的身心健康,提高生产质量。本文以常用刀具材料YG6硬质合金为基体材料,通过磁控溅射技术对试件进行CrN涂层制备,探讨了氮气流量比、基体温度与溅射功率对CrN涂层的形貌、元素成分、力学性能及摩擦学性能的影响规律;采用XRD、SEM、硬度测试仪、划痕仪、摩擦磨损试验机等仪器设备对涂层的形貌、结构、显微硬度、膜基结合力、摩擦系数进行了表征分析,以优化涂层设计制备的工艺参数。研究表明:在不同氮气流量比、溅射功率0与基体温度下都能成功制得CrN涂层,涂层主要组成相为:Cr、Cr2N和CrN。随着氮气流量比的增加,涂层生长方式由柱状生长转向三角形生长机制,致密度增加,显微硬度先增加后减小;当氮气流量比增加到40%时,此时显微硬度最大,致密程度高,形貌呈三角状。随着溅射功率的增加,涂层生长方式由三棱锥生长转向圆形生长机制,55W、75W、95W时涂层颗粒呈三角形状,105W时涂层呈圆形生长,显微硬度先增加后减小;当溅射功率为75W时,此时显微硬度最大,随着溅射功率的持续增加,涂层的厚度也随着增加,但涂层的硬度和结合力都逐渐降低。随着基体温度的增加,涂层生长主要呈现三棱锥生长,致密度变化不大,显微硬度先减小后增大,当温度在300℃时达到最大,此时显微硬度为1843.4HV。在CrN涂层组成的基础上,添加不同含量的Si、Ti元素,以探讨Si、Ti元素含量对制备涂层的涂层形貌、力学性能、摩擦学性能的影响。试验表明:随着Si溅射功率的增加,CrSiN涂层硬度先增加后降低,当Si原子分数含量为14.1%时,硬度达到最大为2397.6HV。加入Si元素,耐磨性能得到改善,涂层在Si原子分数含量为14.1%时,磨损率最小。随着Ti溅射功率的增加,涂层的硬度先增加后降低,当Ti原子分数含量为29.6%时,此时硬度达到最大为3840.8HV,添加Ti元素可使CrN涂层的晶粒尺寸变小,晶粒尺寸在20-90nm范围之内,添加Ti元素具有固溶强化的作用。随着Ti溅射功率的进一步增加,Ti原子替代Cr原子位,使得涂层的结合力不断减小。利用Workbench对圆锯片进行动态特性分析,得到其固有频率和各阶振型。圆锯片的动态特性和圆锯片的振动、噪音关系密切相关。圆锯片的自身结构(如圆锯片的厚度、降噪孔的数量和位置、孔距等)是影响圆锯片动态特性的主要因素。通过对圆锯片的模态分析可知,直径200mm的圆锯片厚度为2mm、降噪孔的数量为4个、孔径为10mm、孔距为60mm时圆锯片具有良好的结构降噪性能。