Attrito ad alta temperatura e comportamento di usura del rivestimento AlCrN preparato con tecnologia di rivestimento ionico ad arco catodico

Il rivestimento AlCrN è stato preparato sulla superficie dell'utensile per il taglio di ceramica TiC con il metodo del rivestimento ionico catodico. L'attrito e il comportamento all'usura del rivestimento sotto diversi carichi a 900 ° C sono stati studiati mediante metodo di contatto a sfera / piano. Il profilo di traccia di usura e la morfologia microscopica sono stati osservati mediante microscopia elettronica a scansione. I cambiamenti degli elementi chimici e delle fasi sulla superficie del rivestimento dopo l'uso sono stati analizzati mediante spettroscopia di scattering energetico e diffrazione dei raggi X. I risultati mostrano che dopo l'ossidazione a 900 ° C, tutti gli elementi N nel rivestimento vengono rilasciati per formare ossidi di Al e Cr, che migliora le proprietà di lubrificazione e usura. I coefficienti di attrito medio del rivestimento erano 0,1455, 0,3939 e 0,4188 sotto il carico di 600, 800 e 1000 g. Ha mostrato eccellenti proprietà di attrito quando caricato con 600 g ed è adatto per la lavorazione di precisione. A temperature elevate, i rivestimenti AlCrN presentano usura ossidativa, accompagnata da una piccola quantità di usura abrasiva e usura dell'adesivo.

Con lo sviluppo del taglio a secco ad alta velocità, alta precisione ed efficienza, la tecnologia di rivestimento superficiale è il modo principale per migliorare in modo efficace le prestazioni degli strumenti. Il rivestimento CrN presenta i vantaggi di elevata durezza, elevata resistenza all'usura e basso coefficiente di attrito. È ampiamente utilizzato nella modifica della superficie dello strumento. Tuttavia, la temperatura di esercizio del rivestimento CrN è solo di 650 ° C, che non è adatta per lavorazioni ad alte temperature. Il cristallo CrN è una struttura cubica centrata sul viso. Dopo aver aggiunto gli atomi di Al, vengono sostituiti alcuni atomi di Cr in CrN e gli atomi di Al vengono dissolti in cristalli di CrN. Quindi la struttura cristallina di CrN passa dalla struttura centrata a quella esagonale e la sua microstruttura, le proprietà meccaniche e le proprietà di usura sono state influenzate in modo significativo.

Due tipi di ossidi compatti Cr2O3 e Al2O3 sono stati formati nell'alta temperatura per migliorare la sua stabilità termica, la sua temperatura antiossidante può raggiungere 900 ° C, e può ancora mantenere un'elevata durezza, elevata resistenza all'usura, resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e adesione al substrato per buone prestazioni, riteniamo che sia adatto per il taglio a secco efficiente di ingranaggi molto grandi. Gli autori hanno utilizzato il metodo di rivestimento ad arco catodico per preparare i rivestimenti AlCrN sulla superficie dei cermet TiC e analizzarne l'attrito e il comportamento all'usura a 900 ° C, fornendo un riferimento tecnico per la lavorazione efficiente di ingranaggi ad anelli super-grandi.

Metodo di prova

Il materiale di base è un utensile da taglio ceramico a base di TiC, ottenuto per sinterizzazione di TiN su scala nanometrica miscelato con TiC micro-dimensionato, in cui la fase dura è TiC e TiN e l'adesivo è Ni. La sua composizione chimica (rapporto di massa) è Ti51,26%, W19,55%, C12,92%, Ni7,63%, Co8,64%. Dopo sgrassaggio e sabbiatura, il campione è stato pulito a ultrasuoni con una soluzione di acetone e disidratato con etanolo anidro. Dopo l'essiccazione in un forno a temperatura costante, è stato rivestito su una macchina di rivestimento PVT. Utilizzando purezza del 99,99% di Cr e Al come target, i parametri del rivestimento: grado di vuoto 3 × 10-3 Pa, temperatura forno 500 ° C, gas di reazione N2, tempo di rivestimento 120 min. Usare N2 gas come protezione, dopo ricottura a 180 ° C per 2 ore, usando acetone nella pulizia ad ultrasuoni NC di tipo KQ2200DE, quindi pulire a ultrasuoni con acqua deionizzata e infine asciugare con un asciugacapelli per ottenere il campione richiesto. Le caratteristiche di usura per attrito del rivestimento AlCrN a 900 ° C sono state studiate da un tester di attrito e usura ad alta temperatura HT-1000. I parametri del test erano: carico di 600, 800 e 1000 g rispettivamente, la temperatura era di 900 ° C ed è stata regolata da un regolatore di temperatura programmabile a 30 stadi. La precisione è dello 0,2% FS (fondo scala), la sfera ceramica è utilizzata per le parti abrasive e il raggio di frizione è 3mm, la velocità di rotazione è 1000r / min. Dopo il test di usura, è stata osservata la morfologia superficiale del rivestimento prima e dopo l'usura ad alta temperatura con un microscopio elettronico a scansione SUPRA55. La composizione chimica e il cambiamento di fase del rivestimento prima e dopo l'usura ad alta temperatura sono stati analizzati da un microscopio elettronico a scansione (EDS) e uno strumento di diffrazione a raggi X D / max2500PC (XRD) per studiare il meccanismo di rottura dell'usura del rivestimento AlCrN sotto alto temperatura.

Analisi e discussione dei risultati

La Fig. 1 (a) mostra la morfologia superficiale del rivestimento AlCrN a temperatura ambiente. Le particelle sulla superficie sono relativamente piccole. Il motivo è che la resa di polverizzazione del bersaglio di Al aumenta e il tasso di nucleazione del rivestimento aumenta di conseguenza. La superficie del rivestimento è relativamente liscia, e ci sono molti pozzi di varie dimensioni, che a causa dell'effetto di polverizzazione inversa della superficie del rivestimento causato dal bombardamento di ioni. E in una certa misura, la ruvidità della superficie del rivestimento è ridotta. AlCrN elementi chimici di rivestimento: frazione di massa: Al 36,72%, Cr36,11%, N27,18%; frazione atomica: Al34.06%, Cr17.38%, N48.56%, come mostrato nella Figura 1 (b) sotto. La composizione del rivestimento AlCrN è Al, Cr e N tre elementi, il rapporto tra il numero di atomi vicino a 2: 1: 3 e ciò dimostra che il rivestimento è composto principalmente da nitruri di Al e Cr, il che è utile per migliorare il durezza e resistenza all'ossidazione del rivestimento.

Fig.1 Morfologia superficiale ed analisi EDS del rivestimento AlCrN

Conclusione

(1) Dopo l'ossidazione a 900 ° C, tutti gli elementi N del rivestimento vengono rilasciati e Al2O3 e Cr2O3 si formano sulla superficie. Tra questi, l'ossido di Al2O3 ha un effetto di riduzione dell'attrito nel processo di usura. Cr2O3 migliora la durezza dello strato e le proprietà di usura del rivestimento.

(2) Sotto l'azione di 600, 800 e 1000 g di carico, il coefficiente di attrito medio del rivestimento è rispettivamente di 0,1455, 0,3939 e 0,4188. Tra questi, eccellenti caratteristiche di attrito sono esposte sotto un carico di 600 g, che è adatto per la lavorazione di precisione.

(3) Nel processo di frizione a 900 ° C, una grande quantità di ossidi viene prodotta nelle cicatrici di usura del rivestimento, che è causata dalla diffusione degli atomi di matrice ad alte temperature, ed è caratterizzata dall'usura all'ossidazione, seguita da una piccola quantità di usura abrasiva e usura adesiva.