Comportamientos de desgaste y fricción a alta temperatura del revestimiento de AlCrN preparado por la tecnología de recubrimiento catódico de iones catódicos

- Jun 14, 2018-


Se preparó un recubrimiento de AlCrN en la superficie de la herramienta de corte de cerámica TiC mediante el método de recubrimiento con iones catódicos. El comportamiento de fricción y desgaste del recubrimiento bajo diferentes cargas a 900 ° C se investigó mediante el método de contacto bola / avión. El perfil de traza de desgaste y la morfología microscópica se observaron mediante microscopía electrónica de barrido. Los cambios de los elementos químicos y las fases en la superficie del revestimiento después del desgaste se analizaron mediante espectroscopía de dispersión de energía y difracción de rayos X. Los resultados muestran que después de la oxidación a 900 ° C, todos los N elementos del revestimiento se liberan para formar óxidos de Al y Cr, lo que mejora las propiedades de lubricación y desgaste. Los coeficientes de fricción promedio del recubrimiento fueron 0.1455, 0.3939 y 0.4188 bajo la carga de 600, 800 y 1000 g. Mostró excelentes propiedades de fricción cuando se carga con 600 g y es adecuado para un mecanizado de precisión. A altas temperaturas, los revestimientos de AlCrN exhiben desgaste oxidativo, acompañado de una pequeña cantidad de desgaste abrasivo y desgaste adhesivo.

 

Con el desarrollo de corte en seco de alta velocidad, alta precisión y eficiente, la tecnología de revestimiento de superficies es la principal forma de mejorar efectivamente el rendimiento de la herramienta. El recubrimiento CrN tiene las ventajas de alta dureza, alta resistencia al desgaste y bajo factor de fricción. Es ampliamente utilizado en la modificación de la superficie de la herramienta. Sin embargo, la temperatura de trabajo del recubrimiento de CrN es solo de 650 ° C, lo que no es adecuado para el mecanizado a alta temperatura. El cristal CrN es una estructura cúbica centrada en la cara. Después de agregar átomos de Al, algunos átomos de Cr en CrN se reemplazan y los átomos de Al se disuelven en CrN Cristales. Entonces, la estructura cristalina CrN cambia de una estructura centrada en la cara a una estructura hexagonal, y su microestructura, propiedades mecánicas y propiedades de desgaste se vieron afectadas significativamente.

 

Se formaron dos tipos de óxidos compactos Cr2O3 y Al2O3 a alta temperatura para mejorar su estabilidad térmica, la temperatura de anti-oxidación puede alcanzar los 900 ° C, y aún puede mantener una alta dureza, alta resistencia al desgaste, resistencia a la oxidación a alta temperatura y adhesión al sustrato para un buen rendimiento, creemos que es adecuado para el corte en seco eficiente de engranajes anulares muy grandes. Los autores utilizaron el método de revestimiento catódico con arco para preparar revestimientos de AlCrN en la superficie de cermet de TiC y analizar su comportamiento de fricción y desgaste a 900 ° C, lo que proporcionó una referencia técnica para el mecanizado eficiente de engranajes anulares supergrandes.

 

Método de prueba

 

El material base es una herramienta de corte cerámica basada en TiC, que se fabrica por sinterización de TiN a escala nanométrica mezclado con TiC de tamaño micro, en el que la fase dura es TiC y TiN, y el adhesivo es Ni. Su composición química (relación de masa) es Ti51.26%, W19.55%, C12.92%, Ni7.63%, Co8.64%. Después de desengrasar y chorrear con arena, la muestra se limpió ultrasónicamente con una solución de acetona y se deshidrató con etanol anhidro. Después de secar en un horno a temperatura constante, se revistió sobre una máquina de revestimiento PVT. Usando 99,99% de pureza de Cr y Al como dianas, los parámetros de revestimiento: grado de vacío 3 × 10-3 Pa, temperatura del horno 500 ° C, gas de reacción N2, tiempo de recubrimiento 120 min. Usando gas N2 como protección, después del recocido a 180 ° C durante 2 horas, usando acetona en el KQ2200DE tipo limpieza ultrasónica NC, y luego limpieza ultrasónica con agua desionizada, y finalmente se seca con un secador de pelo para obtener la muestra requerida. Las características de desgaste por fricción del recubrimiento de AlCrN a 900 ° C se investigaron con un comprobador de desgaste y fricción a alta temperatura HT-1000. Los parámetros de prueba fueron: carga de 600, 800 y 1000 g, respectivamente, la temperatura fue de 900 ° C y se ajustó mediante un controlador de temperatura programable de 30 etapas. La precisión es 0.2% FS (escala completa), la bola de cerámica se usa para desgastar partes y el radio de fricción es de 3 mm, la velocidad de rotación es 1000r / min. Después de la prueba de desgaste, se observó la morfología de la superficie del revestimiento antes y después del desgaste a alta temperatura con un microscopio electrónico de barrido SUPRA55. La composición química y el cambio de fase del recubrimiento antes y después del desgaste a alta temperatura se analizaron mediante un microscopio electrónico de barrido (EDS) y un instrumento de difracción de rayos X (XRD) D / max2500PC para estudiar el mecanismo de falla por desgaste del revestimiento de AlCrN temperatura.

 

Análisis y discusión de resultados


La Fig. 1 (a) muestra la morfología de la superficie del revestimiento de AlCrN a temperatura ambiente. Las partículas en la superficie son relativamente pequeñas. La razón es que el rendimiento de bombardeo iónico del objetivo de Al aumenta y la tasa de nucleación del revestimiento aumenta en consecuencia. La superficie del recubrimiento es relativamente lisa, y hay muchos pozos de varios tamaños, que debido al efecto de pulverización inversa de la superficie del revestimiento causado por el bombardeo iónico. Y hasta cierto punto, la rugosidad superficial del recubrimiento se reduce. Fracción másica de los elementos químicos de revestimiento de AlCrN: Al36.72%, Cr36.11%, N27.18%; fracción atómica: Al34.06%, Cr17.38%, N48.56%, como se muestra en la Figura 1 (b) a continuación. La composición de revestimiento AlCrN es Al, Cr y N tres elementos, la relación del número de átomos cercanos a 2: 1: 3, y eso muestra que el recubrimiento está compuesto principalmente de nitruros de Al y Cr, lo que es beneficioso para mejorar la dureza y resistencia a la oxidación del revestimiento.

 

Fig.1 Morfología de la superficie y análisis EDS del recubrimiento de AlCrN

 

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Conclusión

 

(1) Después de la oxidación a 900 ° C, se liberan todos los N elementos del revestimiento y se forman Al2O3 y Cr2O3 en la superficie. Entre ellos, el óxido de Al2O3 tiene un efecto de reducción de la fricción en el proceso de desgaste. Cr2O3 mejora la dureza de la capa y las propiedades de desgaste del revestimiento.

 

(2) Bajo la acción de carga de 600, 800 y 1000 g, el coeficiente de fricción promedio del recubrimiento es 0.1455, 0.3939 y 0.4188 respectivamente. Entre ellos, excelentes características de fricción se exhiben bajo una carga de 600 g, que es adecuada para el mecanizado de precisión.

 

(3) En el proceso de fricción a 900 ° C, se produce una gran cantidad de óxidos en las cicatrices de desgaste del recubrimiento, que es causada por la difusión de los átomos de la matriz a altas temperaturas, y se caracteriza por desgaste por oxidación, seguido por una pequeña cantidad de desgaste abrasivo y desgaste adhesivo.