拉拔模具表面WS2/Zr复合涂层摩擦学设计与研究

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拉拔加工是线材生产主要技术手段之一,线材拉拔成型过程中,金属原材通过拉拔模具的工作区挤压、拉拔发生塑性变形,使线径符合生产工艺要求。模具工作表面受线材拉拔挤压,往往承受高温高压及剧烈磨损,模具工作表面磨损较快,因此新型拉拔模具的研发对线材工业生产有着重要意义。固体自润滑涂层的出现为解决这一问题提供了新的思路,WS2材料作为近几十年发展起来的固体自润滑材料,具有减摩、抗磨和润滑功能,可改善基体材料的摩擦学特性。  以拉拔模具常用材料YT15硬质合金为基体材料,分别通过直流磁控溅射制备Zr过渡层、射频磁控溅射制备WS2涂层,最终制备出WS2/Zr复合涂层。通过优化制备工艺路线,研究磁控溅射工艺参数对WS2/Zr复合涂层力学及摩擦学性能的影响,确定WS2/Zr复合涂层最佳制备工艺为:射频溅射功率90W,基体温度200℃、氩气工作压强为0.4Pa。基于热力学相关理论,通过有限元仿真软件对制备完成后涂层冷却至室温过程进行残余热应力仿真,建立涂层残余热应力分析模型,得到涂层残余热应力分布云图,当涂层从200℃冷却至20℃时,Zr过渡层的设置,使涂层与基体残余热应力值降低至280MPa,且高应力梯度区域由WS2与基体结合处边缘转移到Zr过渡层与基体结合处边缘。  对制备的不同工艺参数的复合涂层进行微观结构分析、力学性能检测,结果表明:当射频溅射功率为90W、溅射温度200℃时,WS2/Zr复合涂层综合力学性能较为优异,涂层基体结合力良好,涂层显微硬度为 600HV,较纯 WS2涂层有所提高,涂层厚度在4-5μm之间。  不同载荷下,对复合涂层进行摩擦磨损试验研究发现,复合涂层在一定试验时间内保持较好摩擦磨损性能,摩擦系数在较低载荷下维持在较好水平;在一定载荷范围内,随载荷的增大摩擦系数逐渐减小。WS2涂层材料与对磨球表面形成有效转移层是材料具有较好的摩擦学性能的关键所在。有效转移层的形成,使涂层与对磨球之间的直接摩擦转变为WS2材料的层间摩擦,对降低基体材料摩擦系数、增强摩擦磨损性能有着重要的作用。
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