减摩耐磨镀层在压力连接模具上的应用研究

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压力连接技术广泛应用于汽车、家电和航天航空等领域,为降低板材压接成本、提高企业生产效率,提高模具使用寿命是其主要途径之一。针对目前压接模具容易磨损、脆断或崩刃、开裂和变形等导致模具失效的问题,研究减摩耐磨镀层在压力连接模具上的应用,可提高模具表面的强度、硬度、耐磨性和韧性等性能,从而延缓模具失效,最终提高模具使用寿命。本文利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀和化学气相沉积技术,分别在压接模具常用基材DC53冷作模具钢和M2高速钢基体上沉积了类石墨碳膜(GLC)和TiCN/TiC/TiCN/TiN多层结构薄膜。采用显微硬度计、洛氏压入法、光学金相显微镜、球坑仪和球盘磨损实验机检测了薄膜的各项力学性能和摩擦磨损性能,并计算出薄膜在各条件下的承载能力;采用Raman光谱、SEM、EDS和XRD分析和探讨了薄膜的微观结构、表面和截面形貌以及成分。得到的主要研究成果和结论包括:两者都有较好的力学性能:GLC薄膜有较高的显微硬度HK25g1625.86和非常优异的膜基结合强度HF1级,膜厚大约为1.7μm;TiCN/TiC/TiCN/TiN多层结构薄膜有很高的显微硬度HK25g2883.30和良好的膜基结合强度HF1HF2级,膜厚大约为5.0μm。GLC薄膜有极高的减摩耐磨及承载性能:无论是在高载荷、中温(150℃)还是在湿摩擦、润滑油环境中,薄膜都无磨损失效,而且都表现出极低的摩擦系数(0.080.13)、极小的比磨损率(10-1810-17m3/(N·m)的数量级)和极高的承载能力(高于0.702.12GPa)。TiCN/TiC/TiCN/TiN多层结构薄膜耐磨性较高,但不具备明显的减摩特性,承载能力也较低:在高载荷和湿摩擦下容易磨损失效,在中载(40N)、高温环境中有较高的摩擦系数(0.290.37)和比磨损率(10-16m3/(N·m)的数量级),以及较低的承载能力(高于0.440.53Gpa);添加润滑油后的耐磨性与GLC碳膜相似,但承载能力仍然较低(高于0.85GPa)。GLC薄膜和TiCN/TiC/TiCN/TiN多层结构薄膜用于压接模具都可以提高其表面性能。但GLC薄膜的减摩耐磨及承载性能明显优于TiCN/TiC/TiCN/TiN多层结构薄膜,更适合应用于经常处于高载荷等恶劣条件下工作的压接模具。因此,本文的研究成果为延缓模具失效和提高模具使用寿命提供了一种可靠的途径,最终将提高板材压接生产效率和经济效益。
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