基于电火花沉积自润滑涂层的工艺参数和性能的研究

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本文利用电火花沉积工艺在硬质合金(YT15)和高速钢(W18Cr4V)基体上分别制备了Cu/BN和Cu/MoS2涂层,并对涂层的制备工艺、物相组成、微观形貌、厚度、硬度及摩擦磨损性能进行了系统深入的研究。利用热力学的分析方法分别进行了化学相容性分析和物理相容性分析。通过化学相容性分析,对涂层中可能存在的物相进行了预测。通过有限元仿真分析,分析了涂层与基体材料的物理相容性及单个沉积点处不同位置的温度场分布规律。结果表明:单个沉积点在三个方向的温度分布存在较大的差异。其中,当沉积点沿涂层边线移动时,尽管沉积点沿三个方向的温度变化随距热源中心的距离呈线性关系,但其变化规律不同。当沉积点处于涂层中间时,沉积点在两相互垂直方向的温度变化较为相似,且温度随距热源中心的距离也呈线性关系。对硬质合金(YT15)表面制备的Cu/BN涂层进行X射线衍射和扫描电子显微镜检测,其结果表明:Cu/BN在YT15表面进行沉积过程中并未生成新的物质,在3档电容下,采用直径2.2mm的毛细铜管制备的涂层表面最为光滑。采用覆层测厚仪分别测量涂层的厚度,其结果表明:涂层的厚度与沉积时间有关,但涂层的厚度并非随着沉积时间的增加而增加。利用销盘式摩擦磨损试验机进行了摩擦磨损的测试,其结果表明:采用直径2.2mm的毛细铜管和BN作为电极,在3档电容下制备的涂层减磨性能最好。涂层在对磨过程中,当载荷为700g,转速为400r/min时,其磨损方式主要以磨粒磨损为主。而对在硬质合金(YT15)表面制备的Cu/MoS2涂层分别进行XRD和SEM检测后,发现涂层中有新的物质产生,且采用直径2.0mm的毛细铜管和MoS2,在3档电容下制备的涂层表面最为光滑。该涂层的摩擦磨损实验表明:采用直径2.2mm的毛细铜管,在3档电容下制备的涂层,其减磨性能较佳。通过对在高速钢(W18Cr4V)表面制备的Cu/BN涂层进行XRD检测,也未发现生成新的物质。从SEM图片中可以看出,涂层局部存在裂纹。当采用直径2.2mm的毛细铜管时,在3档电容下制备的涂层表面较为光滑。系统的分析了由涂层表面到基体间的涂层硬度,研究结果表明:涂层表面的硬度最低,由涂层表面向基体靠近,涂层硬度逐渐增大,且在涂层与基体的分界处,涂层硬度达到最大值。当载荷为500g,转速为400r/min,摩擦时间为20min时,采用直径1.8mm的毛细铜管和BN制备的涂层,其减磨性能最好。当以MoS2作为固体润滑剂时,涂层中也并未检测出新生的物质,且在各参数下制备的涂层都略有缺陷。采用直径2.5mm的毛细铜管和MoS2在高速钢表面制备涂层时,当载荷为500g,转速为400r/min,摩擦时间为20min时,涂层的摩擦系数最小。采用端面打孔电极的方法分别在高速钢表面制备了Cu/BN和Cu/MoS2自润滑涂层,并对其微观形貌、涂层厚度及摩擦磨损性能进行了研究。研究结果表明:采用Cu/MoS2在高速钢表面制备的涂层,其表面较为光滑;两种涂层的磨损形式都以磨粒磨损为主。
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