高温摩擦磨损PVD涂层在新闻硬化接触条件下的性能

文摘

新闻硬化被广泛用来制造汽车结构和安全组件从先进的高强度钢。这个过程取决于成形工具和工件之间的摩擦。穿的成形工具影响生产组件的尺寸精度,降低其使用寿命。因此希望减少磨损的形成按硬化应用程序的工具。实现这一目标的一个方法是通过应用硬物理气象沉积(PVD)涂料的工具。在这部作品中,PVD涂层的摩擦学的行为tool-work块材料对研究在升高的温度下的试验装置模拟摩擦学的条件按硬化。四个不同的PVD涂层沉积在工具钢和裸工具参考研究在滑动和裸铝涂层22 mnb5钢。结果表明,裸工具表现出最低的摩擦系数时对裸22 mnb5钢滑动。最初CrWN涂层显示低摩擦系数,但滑动距离的增加而增加。TiAlN涂料和两种AlCrN涂层显示出类似的摩擦行为时对裸22 mnb5钢滑动。 During sliding against uncoated 22MnB5 steel, adhesive wear has been found to be the dominant wear mechanism. Adhesive wear was considerably reduced in the case of hard PVD coated tools in comparison to that of uncoated tools. During sliding against Al-Si coated 22MnB5 steel, no clear advantage in terms of friction behaviour of uncoated or PVD coated tools was observed. However, the transfer of Al-Si coating material from the work piece to the tools was significantly reduced for PVD coated tools. Frictional instabilities in all cases involving Al-Si coated work piece material further confirmed the occurrence of adhesive material transfer.

1。介绍

新闻硬化被广泛用来制造汽车结构和安全组件从先进的高强度钢。这个过程取决于成形工具和工件之间的摩擦,因为它影响生产组件的尺寸精度。穿的成形工具减少了他们的使用寿命和经济影响的过程。摩擦磨损的表面还会影响在工具和工件的相互作用。因此需要控制摩擦以及减少磨损形成新闻硬化应用程序的工具。实现这一目标的一个方法是通过应用硬PVD涂层工具。哈,普拉卡什1)评估等离子氮化的摩擦磨损特性,CrN和TiAlN工具钢在单向滑动100 cr6 unlubricated条件下轴承钢在室温和 。CrN和TiAlN涂料显示相对较高,但在室温下稳定的摩擦系数。穿是可以忽略不计的CrN涂料和材料从配合端面TiAlN涂层在室温下。在 ,CrN涂布工具钢的摩擦系数低于室温。TiAlN涂层显示非常不稳定和高摩擦系数由于涂层的附着力和转移配合端面。此外,它被认为工具的接触涂料高温和后续测试在室温下导致counterbody更高的摩擦和磨损。然而,详细的研究了为什么TiAlN涂层转移到counterbody没有。维兰德和Merklein2]研究减少粘着磨损的可能性在复杂加载条件下通过应用一个AlCrN单层涂层工具钢和其行为比作一个裸露的工具。不良增加表面粗糙度AlCrN涂布工具观察比裸的粗糙度变化的工具。材料堆积似乎高涂布工具但转移材料的数量小于裸的工具。然而,只有涂铝工件材料被认为是和摩擦系数或特定磨损率的信息没有。Kondratiuk和库恩(3研究了多层的摩擦学的行为和单层AlCrN工具当滑动与铝涂层22 mnb5涂料和和锌镍涂层22 mnb5 。对于硅涂层22 mnb5钢铁、初始值高的摩擦系数开始但它下降到稳态值与滑动距离。摩擦系数还发现减少与增加负载而独立的负载和稳步上升的锌镍涂层22 mnb5钢。磨损的工件高锌镍涂层比铝涂层的床单。AlCrN涂层的性能工具被报道是更好的比多层涂层工具。此外,温度更高的空白导致少穿当滑动对AlCrN涂布工具。作者得出的结论是,工具的磨损率涂料通常是由磨损材料的硬度。质量损失的锌镍涂层工件高是因为氧化锌的形成积累更少的金属材料成型模是媒体硬化过程更有利。作者研究了摩擦磨损行为通过使用不同的实验设备,因此很难比较这些结果有关摩擦学的特点。Neugebauer et al。4]调查CrVN、NbTiAlN TiZrCrN工具涂料针对他们的能力来提高过程稳定性在新闻boron-manganese-steels硬化。这些工具对裸露的涂料进行了测试,铝涂层,涂Al-Si-graphite 22 mnb5钢。结果表明,摩擦系数约为一半的Al-Si-graphite涂布22 mnb5相比裸22 mnb5钢。此外,作者发现,粘附在裸裸22 mnb5工具导致表面粗糙度增加。CrVN涂布工具在滑动的特点是非常低的粗糙度对Al-Si-graphite涂布22 mnb5相比其他两个工件材料。mono分层NbTiAlN和TiZrCrN表现出低粗糙度的裸22比Al-Si-graphite涂布22 mnb5 mnb5钢。然而,涂料没有报道的具体磨损率和磨损机制并没有详细解释。Sanchez-Lopez et al。5]研究了Y的摩擦学的行为或锆掺杂CrAlN涂料以及掺杂和无掺杂了不同铝含量CrAlN涂料在温度和环境之间当滑动与氧化铝在磁盘配置一个球。作者发现,磨损机制主要是磨和由形成铬和铝氧化物的混合物,其组成是由最初的涂层的化学成分以及测试温度。CrAlN,磨损主要是研磨而CrAlYN和CrAlZrN显示更多的粘着磨损行为。推断CrAlN涂料的掺杂是有益的,当涂层铝含量很低。添加锆提升的形成导致较低的稳定counter-surface的摩擦和减少磨损。Y的除了2。%导致减少磨损的涂层但在更高的温度没有影响。此外,当涂层铝含量的增加,涂层的摩擦系数增加,但穿减少由于更高的涂层硬度和铝氧化物涂层表面的存在。然而,的形成在涂层表面导致更多counter-surface穿。

这简短的概述显示硬PVD工具涂层的摩擦磨损性能用于新闻硬化应用程序没有被详细研究。进行本研究的动机主要是针对评估困难PVD涂层接触条件下媒体普遍硬化过程对其摩擦学性能。在以前的工作中,我们研究了滑动速度的影响,正常的负荷,工件表面材料(裸或硅涂层22 mnb5钢)在纯凳工具钢的摩擦学的行为(6]。材料背后的机制转移发生在更高的温度下需要完全理解为了发展策略,以防止材料转移的工件成形工具。因此,PVD涂层的摩擦学的行为tool-work块材料对在升高的温度下研究的试验装置模拟工具和工件之间的摩擦学的互动媒体硬化。长期目标是了解详细的摩擦磨损机制在升高的温度下以开发工具的使用寿命延长的方法。

2。实验工作

在这项工作中,我们遵循了实验方法详细描述Mozgovoy et al。(2017) (6]。本节概述的使用材料和试样几何形状以及实验设备和测试程序。

2.1。测试材料和标本

在这项研究中,基础材料和试样几何形状是一样受雇于Mozgovoy et al。(2017)6]。不同的材料的化学成分列于表在当前工作1。摩擦学的实验进行预坚膜热加工(凳)工具钢表面有或没有修改。工具钢的组织标本由回火马氏体。这些工具钢标本10毫米宽的立方形的标本,10毫米的深度,和一个20毫米的高度。工具钢标本的接触表面加工的双半径50 mm导致球形小费。球面接触表面是细碎粒度P600碳化硅磨纸达到预淀积表面粗糙度的 m。生成的点接触球形提示对平柜台面来模拟严重的接触条件,例如,在一个死亡半径。在当前的工作中,四种不同的涂层沉积接触表面的工具钢标本通过物理气相沉积(PVD)。裸工具钢标本作为参考。TiAlN AlCrN 1涂层工具钢标本等离子氮化前涂层沉积而工具钢衬底的等离子体渗氮是省略了CrWN AlCrN 2涂层工具钢标本。沉积后,涂层与液体抛光金刚石颗粒含有悬浮的1m大小去除表面残余违规行为,如水滴,硬涂层沉积过程中生成的。在表2、厚度以及表面粗糙度(postpolished)和调查PVD涂层的硬度是总结。应该注意的是,报道硬度值的系统包括涂层和基体的硬度和表面粗糙度和硬度值是平均的5个测量。表面粗糙度前postpolished PVD涂层的摩擦学的测试平均了 m。研究了工件材料发布裸铝涂层22 mnb5钢。工件标本被从实际表的厚度1.5毫米宽15毫米和1000毫米的长度。这些22 mnb5钢带最初ferritic-pearlitic微观结构,用于传送表面状况。

2.2。测试设备

高温摩擦磨损研究热地带摩擦计详细描述Mozgovoy et al。(2017) (6)是用于调查硬涂层的摩擦学的特点tool-22MnB5对工件带材料。定制热地带摩擦计由液压驱动夹紧下巴,确保工件地带。一个电动马达驱动工具总成通过滚珠丝杆滑两个工具销标本沿工件地带。一个气缸应用预紧力的夹紧下巴为了保持工件地带直在实验。两个工具销标本的标本持有人安装在可移动的工具一起组装不同的传感器。图1说明了这个基本的顶视图测试设备的配置。气动波形加载动工具销试样(在图1)对工件地带和固定销试样(底部图工具1)。这两个工具然后滑销标本沿工件的长度。在滑动过程中,发生切向力和法向力应用由应变计测量力传感器。然后计算摩擦系数根据以下方程: 在哪里是摩擦力,预紧力,应用法向力如图1。

下摩擦计组装、新工件带自动从一个堆垛托盘美联储到工件夹紧下颚和穿条会自动放回托盘。通过这种方式,加速磨损工具销标本可以诱导。此外,个别工件条允许的使用理解摩擦磨损机制的变化对他们的立场在工件地带。磨损产物的积累有限的工件带垂直安装在实验。上述夹紧下巴还提供的电阻加热工件地带。工件的温度带由高温计连续测量前的装配工具。工具的温度测量销标本约5毫米从接触界面的k型热电偶。在最近的研究中,工件地带后不灭的测试的目的是调查滑动形成严重的接触条件下的一步。在实验中,虚拟仪器®的数据采集和控制软件监视和测量法向力,滑动(摩擦),预紧力,试样的温度,电流。

2.3。测试程序

(描述的实验方法6]Mozgovoy et al。(2017)又在这工作。首先,在超声波清洗清洁工具销标本在庚烷和乙醇。每个标本都重达五次在半微量分析实验室之前平均质量平衡。然后,该工具销标本安装在单独的样品持有人和安装在摩擦计工具组装。K型热电偶插入工具销标本回措施从接触表面温度约5毫米。氧化铝热盾是标本的工具和工件之间的地带,以避免他们在加热的坚持。工件地带标本和庚烷和乙醇擦拭干净。总共有十个工件带在一个实验中使用。这加起来总共滑动的距离5.5米,产生可衡量的穿销标本的工具。测试参数中指定的表3在实验了。

在目前的工作中,工件的温度裸和硅涂层带采用,因为它代表了一个温度相关的出版社硬化。裸mnb5 22条,带钢加热被执行的软件设置的参数PID控制器。工件带加热的空气,裸22 mnb5钢铁将容易氧化、脱碳,在加热和摩擦学测试期间和扩展。因此,180年代加热时间仅限于防止氧化层的过度增长。对于硅涂层22 mnb5工件,带钢加热被设置手动控制电源输入复制涂层的层状形态。总持续时间大约7分钟组成的三个不同的电源输入步骤(温度)和持有时间(扩散动力学)导致涂层的形貌类似于观察是什么出版社硬化。工件地带达到austenitisation温度在热处理之前输入功率减少达到测试温度 。

陶瓷热盾被移除时所需的测试温度是获得。然后,正常负载应用和稳定(误差1.4%确定测试)后,进行了摩擦学的实验。正如上面提到的,十个工件条测试在每个实验。此外,每个实验也执行两次。测试后,该工具销标本被在乙醇超声波清洗剂,清洗干净。穿销标本也重达5次以确定其平均体重变化。获得的重量变化转化为体积利用钢的密度(7.85 g / )作为第一近似。这取决于阶段转移到表面的工具,一般来说,任何材料的密度转移膜结合的不同密度,例如,具有密度为7.9 g /而展览密度为4.18 g /根据(7]。随着硅涂层由一个分层形态、钢的密度是用于相对比较。不过,最大的卷铝涂料由两个二元金属间化合物的阶段和 。平均的具体磨损率推导出卷按决定的 在哪里由Archard报道的具体磨损率,指定卷损坏( ), 是正常的负载(N),有特定名称的总滑动距离(米)8,9]。

2.4。分析

一个Veeco Wyko NT 1100光学干涉仪来测量初始表面粗糙度 。Matsuzawa MXT中——硬度测量显微硬度测试仪使用负载散装硬度的0.5公斤和0.05公斤的负载涂层硬度。一个Jeol JSM-IT300环境扫描电子显微镜(SEM)和能量色散x射线能谱(EDX)用于二次电子模式或背散射电子相结合模式评估标本的表面形态和摩擦磨损机制通过15或20 kV加速电压和工作距离10至12毫米。x射线衍射(XRD)中执行PANalytical苍天衍射仪是用来确认阶段出现在工具标本受到材料转移后接触铝涂层22条mnb5表。

3所示。结果与讨论

在本节中,结果与摩擦磨损实验,提出了穿标本的分析和讨论。裸的发现和观察首先得到的是22 mnb5表然后为铝涂层钢板材料摩擦学的系统的这一部分主要是管理中的摩擦学行为。铝涂层22日以来mnb5钢更容易用于新闻硬化和材料转移(磨损)的严重程度更加明显,更多的关注给予的分析结果对硅涂层22 mnb5钢板在这工作。

3.1。工具对裸22 mnb5钢滑动

第一和第十条的摩擦行为的四种不同的PVD涂层工具和裸露的工具在对裸22 mnb5钢滑动C是如图2。裸工具钢表现出最低的摩擦系数。CrWN涂布工具钢最初显示较低的摩擦系数,但滑动距离的增加而增加。TiAlN涂布工具钢和两个AlCrN涂布工具钢滑动时的摩擦行为没有显著差异对裸22 mnb5钢。这三个PVD涂层的摩擦系数不稳定,个别表条之间的稳态水平不同。摩擦性能的差异不显著AlCrN 1涂层工具的等离子体渗氮钢滑动对裸22 mnb5可以观察到当比较AlCrN 2涂层工具钢没有等离子体渗氮。非常不稳定和高摩擦系数被哈报道,普拉卡什对100 cr6 TiAlN涂布工具钢滑动轴承钢(1]。工具针最初是在室温下,除了一个磨合阶段,相对不稳定的摩擦系数TiAlN涂涂工具钢甚至AlCrN工具钢对裸22 mnb5钢滑动观察到在这个工作。

图3描述了具体的磨损率对裸裸和PVD涂层工具滑动22 mnb5钢。它可以被观察到的具体磨损率PVD涂层工具不到四分之一而裸露的参考工具。类似的观察报告Neugebauer et al。4]。此外,如果比较不同PVD涂层的磨损行为,可以看出薄PVD涂层的平均的具体磨损率增加时对裸22 mnb5钢滑动。

3.1.1。裸工具钢的特征

在最初的点接触,平均在150 N正常负载和赫兹接触压力与大约270 MPa为裸工具和大约290 MPa PVD涂层工具。明显平圆接触面积约1.5毫米半径观察后裸和PVD涂层工具测试。因此,接触压力应该减少到大约21 MPa的摩擦学的测试。这样的接触压力,即使他们估计,导致局部塑性变形和压扁的表面粗糙。这是观察到图2对裸裸工具钢销滑动22 mnb5钢表现出最低的摩擦系数。对于这种行为的一种解释是,裸的压痕深度和PVD涂层工具根据赫兹理论最初几乎相同,但裸工具钢是温和的,将受到更严格的穿。这将导致更快的接触压力的减少和降低摩擦系数与PVD涂层工具相比,从耕作摩擦将有更大的贡献。在图4有斑纹的模式,光明与黑暗的灰色地带对裸裸工具销表面测试22 mnb5钢可以被识别。能量色散光谱在位置和显微照片显示,表明这两个区域含有不同数量的氧气。的快速焦耳加热空气中的裸22 mnb5钢带限制的静态氧化之前测试温度 。在[解释6带钢表面,因此可以认为是暂态的氧化影响在滑动摩擦学的行为。如上所述,斯托特和木材10氧化),暂态的氧化是通过滑动操作的凝聚力自然金属的氧化物是虚弱的。穿工具表面由金属材料(浅灰色),也在瞬间状态的氧化由于工具针和单片之间的传热,所表示的氧气在频谱峰值越小在图4。此外,表面磨损的工具也由氧化物(深灰色)由大氧峰值谱如图所示在图4。作为媒体硬化过程的数值模拟表明,气温很少超过的工具并没有观察到体重增加由于氧化为裸工具材料在这些温度之前的静态实验,很可能穿工具表面上的氧化物是凝聚和压实氧化磨损产物氧化而不是规模(11,12]。

胶粘结的形成明显的不规则表面微凸体在滑动特征之间的磨损表面粘着磨损。瞬态氧化物被移除的滑动动作,许多新成立的表面微凸体在性质和金属,因此,粘附连接的发展相当快,高温还将促进原子键的形成。因此,相当多的与金属接触发生导致相对较高的摩擦系数和磨损。如果一些表面微凸体在本质上是陶瓷(氧化),粘附连接的增长仍可能发生由于暂态的氧化和高温表面接触。Archard和赫斯特表示,变形的程度的接触表面粗糙(但也删除在这个工作)在外加负载确定真正的接触面积(8]。这导致接触面积的增长,直到根据斯托特和木材10),在粗糙面接触压力下降到了这样一种程度,胶粘剂的发展连接结束。然而,这导致降低摩擦系数,减少磨损。在金属表面粘附连接的区域(参见浅灰色区域),从工具表面的材料将取代相对其初始位置结出现(涂)附着力强而发生脆性破坏的氧化连接(参见暗灰色地带),导致裸工具钢销上的有斑纹的模式观察表面图4。

3.1.2。PVD涂层工具钢的特征

图5(一个)显示了磨料磨损为例的形式的平滑和抛光AlCrN 2涂层在滑动对裸22 mnb5钢。积累转移材料的碎片和涂在入口处发生联系的工具和薄板表面之间的差距变得越来越小。这意味着在一个半径,碎片会裹入通过机械锁定前就接触标本由于几何形状的工具。TiAlN涂布工具针显示类似的行为。然而,CrWN AlCrN 1涂料没有显示碎片的积累和胶涂在入口处的接触,即使这些标本显示抛光接触区,也可以穿。尽管如此,图5 (b)显示了一个物质传输层CrWN涂布工具销滑对裸22 mnb5钢。元素映射显示这个传输层主要包含铁和O,这表明材料源于柜台表面。如前所述,带钢表面被认为是暂态的氧化,氧化物在这样一个国家被滑动操作的凝聚力自然金属的氧化物是虚弱的。CrWN涂层上的传输材料是凝聚和压实氧化22 mnb5板材料碎片坚持PVD涂层表面。图5 (c)显示的接触区AlCrN 2涂销在较高放大的工具。它可以观察到,在PVD涂层的平滑的接触面积,大量的缺陷或瑕疵或仍然存在,尽管出现抛光磨料磨损颗粒的过程。显著区域在这光滑接触区通过粘附的碎片已经覆盖,其积累、分裂、压实、氧化以及混合金属粒子。

看来网站粘附在哪里观察,即使对于标本碎片积累的差距融合,是随机的,但表面的缺陷或缺陷的位置。甚至有区域的抛光领域上没有粘着磨损涂层发生。这表明粘连的发生的主要机制是直接粘附聚集和压缩生成的碎片。Pelcastre et al。13)观察到一个类似的机制直接PVD涂层之间的附着力工具钢标本和硅涂层22 mnb5钢。一个原因发生严重的直接PVD涂层之间的附着力可能是化学亲和力和瞬态氧化物规模裸22 mnb5钢。然而,一个重要的不同机制对裸裸的工具和PVD涂层工具之间的滑动22 mnb5钢似乎并不存在。似乎粘合剂连接形式在两种情况下,但是键之间形成不同的化学物种,Fe-Fe债券对于前者,并为后者Fe-Coating成分。的严重性直接粘附更重要的形成Fe-Fe债券作为特定的平均磨损率对裸工具钢滑动22 mnb5钢铁在图7是更高的PVD涂层工具钢相比。一旦PVD涂层磨损,磨损机制PVD涂层工具针基本上转变成的观察裸工具(代涂层碎片除外)。然而,受灾面积较小的PVD涂层比裸工具钢工具钢,至少直到滑动的观察阶段十条连续测试表。尽管如此,PVD涂层未能保护的工具钢材料去除或转让。

3.2。工具对铝涂层滑动22 mnb5钢

第一和第十条的摩擦行为的四种不同的PVD涂层工具和裸露的工具在滑动对硅涂层22 mnb5钢铁图中给出了6。透露,裸的摩擦行为和PVD涂层工具是无法区分在滑动对硅涂层22 mnb5钢。从静态到动态的转变后的滑动摩擦在第一次0.1第一张工作表,在同一稳态摩擦稳定价值先后测试板条状。类似的行为观察Kondratiuk和库恩(3]。磨合后工具表面在第0.1到0.2米的第一单滑动条,突然增加滑动摩擦系数在0.3米的地带观察到在每个测试表。滑动距离以及摩擦系数高和不稳定的增加后只有第一片不同地带。后,摩擦系数的增加发生大约长度相同的任何工具销对板带连续测试。这非常类似的摩擦行为的工具材料在滑动对铝涂层22 mnb5钢表明摩擦是由铝涂层,22 mnb5薄板材料而工具涂层不显著影响摩擦力的行为。这种摩擦反应也观察到其他人(4,14]。此外,等离子体渗氮前沉积涂层的摩擦行为没有影响。

图7显示了裸的具体磨损率和PVD涂层工具滑动对硅涂层22 mnb5钢。可以观察到的转移铝涂层材料工件的工具不会导致材料去除工具表面的PVD涂层工具。类似的观察各种氮化PVD涂层工具被他人报道(2- - - - - -4]。这些发现表明,积聚的传输材料表面工程工具可以减少严重当胶粘剂债券这些工具不容易形成。在这项研究中,两个AlCrN工具涂层滑动对硅涂层22 mnb5钢表现出非常相似的初始表面粗糙度( AlCrN 1 m AlCrN 2米),但是图7显示平均AlCrN 2层的具体磨损率高于AlCrN 1涂层之一,即。,更多的物质转移到AlCrN 2涂层工具。这是PVD涂层的化学成分或可用的数量的一个特定的组成的厚PVD涂层影响这种磨损行为。图7表明物质积聚在PVD涂层工具包含CrWN高于铝涂层工具。Merklein et al。15)指出,对于单层PVD涂层工具,除了硬度、涂层的化学计量组成他们的磨损行为的影响。这是进一步强调Rabinowicz [16),世卫组织认为金属双“冶金兼容“如果他们二元相图表明液体混溶和完整的固体溶解度或固体溶解度的另一金属在室温。这种“冶金兼容性”会导致严重的粘连,然后控制中的摩擦学行为。然而,Zum•加尔(17)表示,这种模式的相互溶解度(冶金兼容性)并不适用于粘附,摩擦和磨损二元相图显示了在热力学平衡溶解度。根据作者,只相互溶解度大大加剧了摩擦磨损,如果扩散活化能(如温度)超过(约0.5倍熔化温度)在足够的时间。很明显,摩擦磨损是不平衡的过程。不过,当考虑Rabinowicz“兼容性图表”,它可以观察到,铝是“兼容”中使用的合金元素的钢。这意味着调查PVD涂层的组成元素都将开发胶粘剂与硅涂层在一定程度上进行连接。Sanchez-Lopez et al。5)还提到CrAlN涂层的摩擦学的行为是高度依赖配合端面材料的性质,因此,当韧性材料如钛或Al合金用作counter-surface,材料的附着力会增加,摩擦系数主要是由材料的剪切特性传输层和counter-surface。当前的结果清楚地表明,PVD涂层含有铝不太合适的防止材料转移。

3.2.1之上。铝涂层22 mnb5钢的行为

Pelcastre et al。18]描述阶段中硅涂层22 mnb5钢在其发布状态。涂层显示大量的孔隙材料前进行合金化过程。光光学显微图的横截面上的合金铝涂层Kondratiuk和库恩还透露空洞和高表面粗糙度或山谷3]。这些山谷中的摩擦学行为产生影响。很明显,缺陷的类型和浓度的硅涂层及其不同组分如Fe-Al金属间化合物化合物是重要的因素影响涂层的机械性能和摩擦学性能。Pelcastre et al。18)还提到,摩擦和物质转移行为的影响阶段晶铝涂层,增加材料转移中看到一些实验是由于熔铝涂层的存在或极软阶段。根据作者,当和已经来硅的表面涂层,22 mnb5钢板在合金化过程,其高硬度增加穿柜台的表面由于金属间化合物化合物更严重的磨耗比没有出现在接触。图8描绘了典型的硅涂层磨损追踪观察22 mnb5钢滑动后对不同工具针。可诱导的,当工具针,开始滑动在热钢板地带,由于高的最高表面微凸体剪掉当地应力发生在粗糙的水平。这从表面上可观察到的表面微凸体硅涂层22 mnb5表地带后,接触不同的工具材料图8。在这个阶段,大量的磨损产物生成,一旦形成,他们将扮演重要的角色在随后的磨损和摩擦机制。这些粒子可以观察到在板带的表面。合金铝涂层的表面山谷观察22 mnb5钢将欺骗这些碎片在磨损过程中生成的。不过,松散的粒子也可以重新融入材料传输层或导致工具钢表面三体磨料磨损。同样明显的是,集聚和压实的磨屑表面的铝涂层板带材存在和影响磨损行为。含有如此丰富铝考虑铁铝二元相图,金属间化合物化合物等 , ,和据报道表现出复杂的晶体结构,延性差,和较低的断裂韧性,因此脆性力学行为在低温下(19,20.]。不过,裂缝,面向角的滑动方向穿跟踪和传播到垂直方向的滑动方向,表明脆性断裂的硅涂层由于高滑动界面切向应力。

3.2.2。裸工具钢的特征

图9(一个)显示,裸工具钢表面滑动对铝涂层22 mnb5钢主要是穿通过粘着磨损耕作通过小颗粒视为锋利的凹槽滑动方向平行或更大材料集群材料转移视为厚更不规则的凹槽。光谱在图9确认它是工具钢材料磨损。这是进一步观察图9(一)材料坚持表表面被困在不同的耕作。有两种可能的解释这种行为。一方面,波纹板表面涂层的热浸过程的结果外套22 mnb5钢铁austenitisation后留存。此外,小颗粒造成磨损的工具和板接触的表面可以凝聚和压实大材料集群(肿块)板表面。这被称为压实难堪的。压实磨损发生在表面磨损产物积累在山谷或表面缺陷,随着滑动的发展,提供网站更多截留的碎片,直到契约的硬Fe-Al-Si金属互化物混合与氧化工具开始形成的碎片13]。大状突起的犁通过工具表面的金属间化合物阶段形成的涂层在austenitisation相对困难。结节时被困在耕作槽中,它从表分离表面和仍在工具上的槽表面移动的工具。另一方面,突出可能推出的耕作槽随着联系的发展和小戴残骸将被禁锢在这个槽,并开始积累,直到这种材料集群接触counter-surface和进一步得到分散和压实。根据高度板表面的凸起,耕作的工具表面的沟槽和材料脊能长到十几个微米的尺寸。物质分离时,在接触界面剪切应力降低。此外,在网站发生机械联锁,碎片将进一步积累而滑动过程,导致这个肿块坚持工具表面的增长。这样也裹入材料的碎片形成障碍的工具表面counter-surface和任何材料界面。这些裹入片段然后增加局部的机械联锁的可能性。因此,条件形成和增长之间的粘合连接工具和硅涂层22 mnb5钢增强。

破碎的边缘较厚材料转移层,成为承载在随后的滑动也可以观察到在图9(一)光谱在图9在这个传输层显示,它主要由铁和铝的一些Si表涂层材料的近似成分这是部分氧化。此外,当检查承载物质传输层的边缘,很明显,这一层是由凝聚和压实的残骸。范Alboom et al。21)指出,一个整数金属间化合物的化学计量学和 - - - - - -层(视为等同和 ,分别)形成的表面热浸镀铝化钢提出了一个定义良好的成分。作者进一步表示,展出部分无序晶体结构的一些铝原子站点只有部分占据。这意味着一些晶格中原子网站空和金属间化合物化合物可能是化学活性。因此,这些Fe-Al拥有更高的倾向于坚持铁金属间化合物化合物可用工具钢表面。这可以解释为胶粘剂的形成金属裸工具之间的连接和铝金属间化合物阶段钢板涂层。胶粘剂的生长氧化物之间的连接工具钢铁和铝涂层材料在22 mnb5钢板可能以类似的方式激励周围的环境包含氧气。这也可以增强由于高测试温度 。

此外,氧化压实补丁是一个函数的组合的数量滑动表面上通过一个给定的点,而不是一个函数的实际滑动时间根据斯托特和木材10]。在炎热地带图测试中,一个给定的位置工具暴露在几个连续的接触新鲜的计数器表面。这意味着孤立的补丁就可以形成一些承载力和坚持摩擦表面,例如。图中所示9。斯托特和木材进一步解释(10],承载区域的非常光滑的表面是由于氧化粉碎成微粒。然后相对磨损率小如氧化磨损碎片也被重新融入坚持材料表面上从它起源或转移反对表面和压实。这些岛屿在某种程度上也可以减少摩擦随着耕作的贡献和粘附摩擦变得有限。这种行为发生无论表面条件的22个mnb5钢铁(裸或铝涂层)。图9(b)显示表面的承载材料传输层。可以看出,新生成的涂层的磨损颗粒近似构成,开始氧化的氧化物质传输层。此外,它可以注意到另一个地方正在承载传输层上压实难堪的。然而,同样明显的是,物质传输层开始机械失败横向裂缝开始开发,被视为黑暗的不规则的线垂直于滑动方向。图9(c)表明,裸工具钢滑动对硅涂层22 mnb5钢铁还通过粘着磨损严重磨损和耕作。在耕作时,工具钢材料被推倒在耕作槽的边缘,导致剩余材料的山脊。在随后的滑动表面新单材料的工具,这些山脊可以分离导致磨屑的形成。这样的碎片将会扮演重要的角色在概述了摩擦学的机制。

3.2.3。PVD涂层工具钢的特征

图10 ()展示了如何穿碎片开始积累外穿跟踪接触区域的入口处TiAlN涂布工具钢标本,对铝滑涂层22 mnb5钢。应该注意的是,这些穿粒子仍然坚持即使销标本表面清洗在庚烷和乙醇超声波浴中总共10分钟,这表明PVD涂层之间的附着力强,传输材料。裸的工具钢,转移的金属间化合物化合物材料的亲和力是工具钢表面的成分。PVD涂层工具,金属间化合物化合物似乎最吸引PVD涂层含有铝,但材料转移也发生在PVD涂层没有。进一步的调查需要完全理解这种行为。在图中看到的微粒10 ()可能会被困在表面缺陷酒窝和划痕,进一步凝聚的新型板材料在连续传球等景点。Pelcastre et al。13)还发现,高硅涂层之间的化学亲和力22 mnb5钢铁和PVD涂层成分的工具钢针磨损的主要驱动力。根据作者,表面形貌的影响比裸工具钢材料不那么重要。图10 (b)表明,磨屑也积累外穿轨道在出口处的接触区在另一个TiAlN涂布工具钢标本后滑动对铝涂层22 mnb5钢。可以看出,转移的初始薄膜材料,视为一个较暗的区域,形成了围绕一个槽,开始形成一个连续的层部分覆盖沟。这加强了初始直接粘附的假说。进一步可以看出粒子聚集已经开始在小酒窝接近大集群传输材料。图10 (c)描述了扫描电子显微照片倾斜角度的二次电子模式AlCrN 1涂层滑动后硅涂层22 mnb5钢。可以看出,传输层有一个结构,通过压实和可能形成磨屑的部分烧结。层自接触压力相当大的孔隙度只是中等或低,这天生就会影响他们的机械强度。尽管顶部表面非常光滑,应该有助于降低摩擦系数,凝聚和压实穿的不完整的烧结颗粒将不利于材料的承载能力转移补丁。当新单涂层材料接触时,裂纹将开始出现在多孔传递电影在剪切应力远低于构成的抗剪强度,批量转移的阶段。一旦启动,这些裂缝会传播很容易通过多孔传输层主要主要是脆性断裂是由于存在硬Fe-Al金属间化合物的化合物。因此,这将导致生成的磨屑,可以进一步形成压缩传输层或这些粒子可以在本地增加接触压力,类似于一个硬度计压头,所以,工具钢衬底PVD涂层下可塑性变形导致其机械破裂。

图11显示的纵向部分转移材料PVD涂层工具钢针用于演示目的。值得注意的是,所有PVD涂层显示相同的磨损特征在纵向的部分。在图(11日)可以看出,转移材料CrWN涂布工具钢滑动后铝涂层22 mnb5钢由不同大小的颗粒混合和烧结在一起。传输层是密集的顶部表面,甚至面向,进行塑性变形引起的滑动方向。在中间,碎片的物质传输层是由粗并没有完全压实。PVD涂层没有完全失败的在这种情况下,它可以假定传输层主要由Fe-Al金属间化合物阶段来自硅涂层材料在柜台上表面。下面粗层,约1微米的连续薄层厚度可以看到。这被认为通过直接粘附形式。建立了密集的顶层由于截留和阻塞的碎片融合差距的接口。运输的粗层是碎片的致密层和甚至可能打破松散的颗粒致密层建立前的接触区。在图11 (b),可以看出一个密集的材料转移层大约10微米坚持AlCrN 2涂层工具销表面滑动后硅涂层22 mnb5钢。这个致密层也表明,其微观结构拉长到滑动方向切向应力的结果。此外,PVD涂层显示裂缝,从tribolayer-coating界面启动或从工具steel-coating接口。然而,这些裂缝不马上传播通过PVD涂层但偏离方向平行于界面。这种行为甚至可以看到在图(11日)CrWN涂布工具的销门口接触。众所周知,间质氮化物通常表现出ductile-to-brittle转变温度约为(22]。因此,一个脆弱的PVD涂层的机械性能测试的温度是预期的。裂缝的偏差的原因是更严重的正常和切向应力比在平坦表面的几何形状工具。此外,正常和切向的方向和大小分数接触压力的变化在整个界面平面和深度的材料。然后,应力集中配置文件将在接触材料不同传输层不断建立和分解。这可能解释了PVD涂层的开裂行为观察工具钢。图11 (c)说明了PVD涂层的脆性断裂。相信随着传输层建立,正常到销试样表面的压力增加。达到阈值后,工具钢衬底,因为它是柔软和韧性,不能机械地支持PVD涂层难得多。因此,从coating-tool钢界面PVD涂层骨折由于拉伸应力。传热的热板带也可能加强这种行为通过热软化工具钢的衬底。退出的接触区,如图11 (d),5-micrometre厚的致密材料传输层可以观察到AlCrN 1涂层工具销表面滑动后铝涂层22 mnb5钢。PVD涂层下面的工具钢微结构高度变形和面向滑动方向。这个工具的取向钢显微组织观察在所有情况下,PVD涂层断裂或部分删除。塑性变形和取向的工具钢等微观结构到滑动方向也观察到啵et al。23]。这发生由于正常和切向应力的贡献由于曲率的销工具。铬元素映射对应图的扫描电子显微照片11 (d)显示AlCrN 1涂层转移layer-tool钢界面没有被完全移除。这四个不同区域的不同磨损程度出现在所有PVD涂层工具钢下滑对硅涂层22 mnb5钢。

3.2.4。x射线衍射

铝涂层的分层组织22 mnb5 austenitisation后得到的钢板材料[为特征的3,18,23,24]。这个分层形态主要由二元和三元铁、铝、硅和金属间化合物阶段等 , , 如果,Si。此外,微观结构分析表明,二进制铁铝阶段和构成的最大体积铝涂层。因此,人们相信 , ,或者两者都存在在工具材料传输层后试样表面摩擦学的交互。为了证实这一点,使用铜- x射线衍射测量辐射进行裸和PVD涂层工具标本,对铝滑涂层22 mnb5钢。的动机分析的识别阶段出现在工具上的传输材料层表面。这样做是针对开发更合适的方法来防止材料转移的工件成形工具。图12显示最有趣的角范围的x射线衍射图分析了销试样表面滑动后硅涂层22 mnb5钢。PVD涂层的工具钢,识别潜在基础涂料表现出了以平面为中心的立方(Fm空间群225)晶体结构的晶格参数4.235为CrN锡和4.148。铁峰的衍射图源自调质钢衬底的工具,但这些山峰转移和/或扩大为基质材料是合金工具钢,而不是纯铁。合金元素也将影响峰值强度。在所有的x射线衍射图,小峰可以观察到衍射角之间和 。这些被认为是来自金属互化物 。这意味着转移材料是金属在自然界在某种程度上,尽管高温接触。然而,它应该记住的材料转移层展品高度变形的微观结构。材料之间的持久的机械接触和相对运动科目表层和次表层的区域高塑性应力和创建一个地下微晶取向到滑动方向,观察图11。这可能是为什么一些峰值衍射图可能没那么强烈,甚至缺失。众所周知,, - - - - - -2扫描,峰值将转向低角度压应力和拉伸应力更高的角度。此外,在紧张的样本,峰值变化将以更高的角度大于较低的角度。范Alboom et al。21)指出,大量的混乱形成的金属间化合物层的成分存在的表面热浸镀铝化钢。他们报告说,这些阶段对应和而不是和 。进一步考虑Fe-Al二元相图时,它可以观察到,金属间化合物阶段和不具备一个确切定义化学计量组成,这意味着他们的成分在一定程度上可能会有所不同。我们所知,信息关于Fe-Al晶体结构的金属间化合物复合氧化物在公开文献不在。因此,明确识别阶段是具有挑战性的。然而,Venema et al。26)还通过x射线衍射确定,灰尘等工具主要包含金属间化合物的化合物和费尔来自单涂层以及铁氧体,茎从工具或材料表。在目前的工作,纯铝的山峰也不见了,即使纯铝被报道有时出现在表涂层,因此可能会怀疑在转移膜18]。一个可能的原因可能是纯铝的相对体积很小由于其高反应活性和氧的亲和力,所以数量超出仪器的检出限。

4所示。结论

在这部作品中,裸的摩擦学的行为,研究了四种不同的PVD涂层工具钢等滑动和裸铝涂层22 mnb5钢铁的温度在一个试验装置模拟新闻硬化接触条件。

发现裸工具钢时表现出最低的摩擦系数对裸22 mnb5钢滑动。这是归因于更快的减少和裸工具钢是软接触压力,而且将受到更严格的变形和材料去除。CrWN涂布工具钢最初显示较低的摩擦系数,但滑动距离的增加而增加。TiAlN涂布工具钢和两个AlCrN涂料显示不稳定的摩擦系数。明确不同摩擦行为由于等离子渗氮AlCrN 1涂层工具钢比较时没有被观察到AlCrN 2涂层工具钢没有等离子体渗氮。PVD涂层工具表现出较高的摩擦系数由于counter-surface耕作摩擦的更大的贡献。磨损表面的不规则特性对裸裸工具钢,下跌22 mnb5钢确认了粘着磨损行为。被氧化的滑动动作,相当与金属接触发生导致大量的材料去除。PVD涂层工具的具体磨损率相比减少了对裸裸工具钢滑动22 mnb5钢。粘连的发生的主要机制是初始直接粘附聚集和压缩生成的碎片主要是由铁和O。

进一步证实了,裸和PVD涂层工具表现出无法区分在滑动摩擦行为对铝涂层22 mnb5钢。这表明摩擦是由铝涂层,22 mnb5薄板材料而工具涂层不显著影响摩擦力的行为。有证据表明,PVD涂层的化学成分影响铝涂层的磨损行为在22 mnb5钢为材料累积PVD涂层工具包含铝高于CrWN涂布工具没有铝。PVD涂层工具的具体磨损率降低相比,裸工具钢的硅涂层22 mnb5钢。x射线衍射测量材料的传输层在所有工具证实的存在Fe-Al金属间化合物化合物这一层虽然高度紧张和部分氧化。

一般来说,穿粒子生成后,材料转移提升者聚集的碎片直接粘附颗粒等表面缺陷,突起或酒窝,骨折,甚至磨痕。进一步破碎、压实和氧化的聚集导致粘材料集群通过counter-surface犁。这种材料集群在耕作机械联锁凹槽在粘聚结,进一步生成碎片导致相当大的物质积聚的地方。材料转移层可以单独的表面和带负载在某种程度上。然而,机械地脆弱,优惠和物质传输层形成的过程对铝涂层工具测试22 mnb5钢铁重演。简而言之,所有情况下都表现出某种形式的集聚,分裂,压实,磨损颗粒的烧结,裸还是PVD涂层工具对裸钢滑动或硅涂层22 mnb5钢。虽然PVD涂层工具钢特定磨损率大大减少了,但他们的总体性能是令人不满意的。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是在2015年国际摩擦学会议(ITC)在东京,日本。作者想表达他们的感谢主办方给我这个机会来传播他们的研究。作者还要感谢Oerlikon鲍尔泽瑞典山特维克涂料AB和Ionbond AB提供涂料为这次调查和他们的兴趣在这个研究。这项工作是由瑞典政府机构为创新系统,Vinnova计划FFI,可持续生产技术(格兰特号码2010 - 02851)。作者想表达他们的感谢支持。

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