涂層刀具摩擦磨損特性的研究進(jìn)展*

顏 培 鄧建新 李士鵬 趙 軍 陳 揚(yáng) 邢佑強(qiáng)

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061）

涂層刀具是在韌性較好的刀具基體上，沉積一層或多層耐磨性好的難熔化合物，使刀具結(jié)合了基體高強(qiáng)度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)點(diǎn)［1］，提高了刀具的耐磨性而不降低其整體韌性，可以有效提高刀具壽命［2］。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴(kuò)大，使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，也是刀具技術(shù)發(fā)展的重要方向［3］，其在刀具中的使用比例已超過(guò)50%。

1 PVD涂層摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀

涂層的摩擦學(xué)研究主要依靠摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)，往往與實(shí)際工況的涂層損傷機(jī)理存在一定的區(qū)別，但實(shí)際工況的磨損試驗(yàn)由于各種局限無(wú)法經(jīng)常進(jìn)行。傳統(tǒng)的摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)研究只局限于獲取摩擦系數(shù)和某一摩擦條件下的磨損量，對(duì)涂層的微觀損傷和摩擦化學(xué)作用機(jī)理的研究不夠重視。涂層的實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)主要有兩種趨勢(shì):一種是沿襲傳統(tǒng)的摩擦試驗(yàn)并加強(qiáng)微觀分析，專注涂層材料的基本摩擦學(xué)特性;另一種是盡可能模擬實(shí)際工況，爭(zhēng)取實(shí)驗(yàn)過(guò)程的涂層損傷及其機(jī)理與實(shí)際工況一致。

1．1 “硬”涂層刀具的摩擦磨損研究

1．1．1 二元氮化物涂層

TiN涂層是研究較早、使用范圍較廣的涂層。王核源等研究了TiN涂層高速鋼刀具和未涂層TiN高速鋼刀具正常磨損的差異［4］，如圖1所示。涂層刀具前刀面月牙洼窄而深，邊界呈鋸齒狀;后刀面在磨損過(guò)程中出現(xiàn)了負(fù)倒棱和后刀面月牙洼;涂層的硬隔膜作用時(shí)間是短暫的。在正常磨損階段，涂層起著邊界阻礙作用。在劇烈磨損階段，涂層以剝落的方式失效并基本喪失作用。

在疲勞壽命相當(dāng)?shù)那闆r下，CrN具有比TiN涂層更好的耐磨性能［5］。趙晚成等研究了應(yīng)用于活塞環(huán)的CrN涂層的摩擦學(xué)性能［6］，結(jié)果表明CrN涂層具有較高的硬度和較好的表面粗糙度，可以降低磨粒磨損。摩擦反應(yīng)膜的形成和擴(kuò)展，是摩擦系數(shù)和磨損率降低的主要原因。Rodriguez［7］等在20% ～70%相對(duì)濕度下，將100Cr6軸承鋼和WC陶瓷球配副，對(duì)CrN涂層進(jìn)行銷盤試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著相對(duì)濕度增加，涂層摩擦系數(shù)降低，表現(xiàn)出較好的抗粘結(jié)磨損性能。

劉建華采用環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)研究了載荷、速度、摩擦距離等因素對(duì)ZrN涂層刀具的摩擦磨損特性的影響［8］。結(jié)果表明，ZrN涂層刀具材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增大而下降，磨損率隨載荷的增大而上升;涂層刀具材料的摩擦系數(shù)隨摩擦距離的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì);ZrN涂層刀具材料的摩擦系數(shù)和磨損率隨摩擦速度的增大而下降。圖2為ZrN涂層刀具的摩擦系數(shù)隨摩擦距離的變化規(guī)律。

1．1．2 三元氮化物涂層

Scheerer對(duì)不同成分的CrAlN涂層進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)及干切削試驗(yàn)［9］，結(jié)果表明，Cr、Al元素含量在15 at%（原子百分?jǐn)?shù)）左右，N含量在60 at%左右的CrAlN涂層具有最佳的綜合性能。但切削溫度超過(guò)800℃后，Cr和Fe無(wú)限固溶，會(huì)在刀刃上形成一層粘著層，影響切削性能，因此降低涂層中Cr元素的含量有利于涂層切削性能的提高。

娘親雖然對(duì)她嬌慣，但這個(gè)時(shí)候，她一點(diǎn)也不愿意觸母親的霉頭。她在心里發(fā)誓，一定要找個(gè)機(jī)會(huì)，好好教訓(xùn)一下青辰那小子，來(lái)給娘親出這口氣。

K Bobzin等采用Al2O3和Si3N4陶瓷球作為對(duì)摩材料，在球－盤試驗(yàn)?zāi)Ｊ较聦?duì)磁控濺射制備的不同Al含量的 Cr1－xAlxN 涂層摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究［10］。Cr0．77Al0．23N涂層與Si3N4陶瓷球的摩擦系數(shù)最高，但其磨損率卻最低。CrAlN涂層的主要磨損機(jī)理為粘著磨損;而CrN涂層為磨粒磨損、氧化磨損及粘著磨損共同作用的結(jié)果;Cr0．77Al0．23N涂層磨損機(jī)理與CrN磨損機(jī)理相似，但由于其具有較高的硬度和彈性模量、較小的晶粒度以及較好的抗氧化性能，因此磨損程度及粘著現(xiàn)象較輕。

圖 3 為 K．D．Bouzaki等［11－12］用未涂層刀具、TiN涂層刀具和TiAlN涂層刀具低速銑削鈦合金Ti－6Al－4V時(shí)，刀具后刀面磨損量隨切削速度變化的對(duì)比圖。TiAlN涂層刀具后刀面磨損量隨速度升高緩慢升高，未涂層刀具和TiN涂層刀具的后刀面磨損量迅速增大，導(dǎo)致刀具失效無(wú)法進(jìn)行切削。

圖4為不同厚度的TiAlN涂層銑刀斷續(xù)銑削合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo4V時(shí)后刀面磨損隨切削次數(shù)的變化情況［13］。研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，涂層厚度越大，刀具的抗后刀面磨損能力越強(qiáng)。當(dāng)具有一定的界面結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，涂層刀具涂層厚度對(duì)后刀面磨損有較大影響，增加涂層厚度有利于提高抗磨損能力，磨損主要取決于涂層本身的厚度。

1．1．3 碳化物涂層

姚海玉等利用HVOF合成技術(shù)制備TiC－Ni涂層［14］，對(duì)所制備的涂層進(jìn)行滑動(dòng)磨損試驗(yàn)并分析涂層磨損失效形式。結(jié)果表明，涂層滑動(dòng)磨損失效主要有粘結(jié)相的優(yōu)先犁削和碳化物剝落。失效過(guò)程中碳化物顆粒的剝落對(duì)涂層磨損起關(guān)鍵作用，涂層中的粘結(jié)相、氧化物和孔隙對(duì)裂紋的擴(kuò)展有很大的影響。

朱琳等［15］研究結(jié)果表明TiCN涂層具有優(yōu)良的耐磨性能，其失效形式主要是由于粘著磨損造成的，伴隨TiCN硬質(zhì)顆粒的磨削與高溫氧化失效，磨損失效區(qū)域中Fe、Cr、O元素含量較高，由表面逐漸向涂層內(nèi)部侵蝕。TiCN、TiN涂層和M2鋼分別與淬火GCr15鋼對(duì)摩后，摩擦磨損關(guān)系曲線如圖5所示。

1．1．4 氧化物涂層

J E Femandez等［16］曾研究了等離子噴涂 Al2O3涂層的滑動(dòng)磨損特性，結(jié)果表明干摩擦?xí)r存在最大磨損載荷和最大以及最小磨損速度，而且在較高滑動(dòng)速度下潤(rùn)滑劑的加入會(huì)大大增加其磨損率。

清華大學(xué)研究人員研究了大氣等離子噴涂Al2O340%ZrO2涂層的磨損機(jī)理［17］，研究表明在滑動(dòng)接觸條件下涂層的主要磨損機(jī)制是剝落。在滑動(dòng)接觸條件下，最大剪應(yīng)力位于亞表層，微裂紋從缺陷處萌生，逐漸擴(kuò)展和聚合，最后發(fā)展至表面而產(chǎn)生脆性剝落。

Shunyan Tao等研究了磁控濺射Al2O3、Cr2O3涂層與銅合金室溫下的環(huán)塊干摩擦性能［18］，如圖6，由于Al2O3涂層良好的導(dǎo)熱性能以及高溫硬度，Al2O3涂層的耐磨損性能要優(yōu)于Cr2O3涂層。Al2O3涂層的磨損破損機(jī)制主要是塑性變形，并帶有磨粒磨損和微崩刃;Cr2O3涂層的摩擦磨損機(jī)制主要是裂紋的擴(kuò)展以及涂層的剝落。

1．2 “軟”涂層刀具的摩擦磨損研究

Renevier等研究了MoS2自潤(rùn)滑涂層在切削過(guò)程中的磨損特性［19］。圖7為 MoS2/Ti、MoS2軟涂層刀具和未涂層刀具銑削34CrNiMo6工件時(shí)，每個(gè)刀具銑削的工件材料的體積。MoS2/Ti軟涂層刀具的壽命高于MoS2軟涂層刀具和未涂層刀具。圖8為WC/Co/MoS2軟涂層刀具和WC/Co硬質(zhì)合金刀具加工302不銹鋼時(shí)刀具后刀面磨損量的對(duì)比，可見WC/Co/MoS2軟涂層刀具比WC/Co硬質(zhì)合金耐磨損。

1．3 多層涂層的摩擦磨損研究

上世紀(jì)70年代中期引入的TiC/TiCN/TiN三層涂層是第一個(gè)應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀片的多層涂層，此后多層涂層的研究成為摩擦學(xué)表面工程的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

Renji等研究了含有TiC、TiCN和TiN多層涂層（單層厚度為 0.5 ～1 μm，總厚度為5.5 μm）的磨損特性［20］，認(rèn)為多層涂層的磨損呈現(xiàn)一種“多層磨損機(jī)制”，即材料是逐層被剝離的。由于較單層涂層有更多的界面存在，多層涂層中的裂紋擴(kuò)展在一定程度上受到抑制而有較高的耐磨性。

Matthews A和Holmberg分別從宏觀力學(xué)機(jī)制、微觀力學(xué)機(jī)制、摩擦化學(xué)機(jī)制及材料轉(zhuǎn)移方面建立一個(gè)系統(tǒng)的涂層摩擦機(jī)理研究方法［21］。宏觀力學(xué)下的摩擦和磨損行為主要決定于接觸過(guò)程中的應(yīng)力及應(yīng)變分布和由其導(dǎo)致的彈塑性變形、磨屑的形成等，這主要取決于涂層與基體的硬度、涂層的厚度、表面粗糙度、接觸界面間磨屑的硬度與尺寸。

對(duì)于同一個(gè)接觸面，要獲得低的摩擦系數(shù)，涂層應(yīng)有低的剪切強(qiáng)度;要獲得低的磨損率，需要有較大的硬度、較高的剪切強(qiáng)度。Matthews等認(rèn)為可通過(guò)在硬質(zhì)涂層上加一層特別薄的低剪切強(qiáng)度的軟質(zhì)膜來(lái)組合實(shí)現(xiàn)，同時(shí)該軟質(zhì)涂層還具有包容硬質(zhì)磨粒的能力，硬質(zhì)膜則提供一定的承載能力。在微觀力學(xué)上應(yīng)當(dāng)考慮裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展、磨屑的產(chǎn)生以及從微米和納米尺寸上研究相關(guān)的摩擦現(xiàn)象。多層膜的引入增加了單位厚度內(nèi)的界面含量，可有效阻止裂紋的生成及擴(kuò)展。

1．4 涂層在摩擦中的磨損破損機(jī)制

涂層在摩擦磨損中的磨損破損機(jī)制一般分3種［22］:（1）無(wú)涂層材料交換的損傷。主要是指刀具幾何形狀或表面形貌發(fā)生了永久的變化，起主要作用的因素是涂層和基體的硬度、楊氏模量以及涂層的表面粗糙度。涂層的硬度是其耐表面擦傷的重要性能參數(shù)，涂層的韌性或斷裂韌性是耐表面裂紋的重要性能參數(shù)。（2）有涂層損耗的損傷。涂層工件的耐磨性主要與處于接觸區(qū)內(nèi)的涂層性能有關(guān)。一旦涂層被磨掉，則基體承擔(dān)起耐磨的作用。一般來(lái)講，在摩擦學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域特別需要涂層與基體間的牢固結(jié)合。（3）由涂抹造成涂層的損傷，主要與涂層的表面粗糙度和摩擦副工件間的化學(xué)親和力有關(guān)［23］。

2 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代涂層制備過(guò)程中，涂層材料由單一的TiC、TiN發(fā)展到TiAlN、TiCN等各種新式涂層，涂層材料種類不斷增加;幾種不同的相和涂層可以組合成疊層涂層、梯度涂層、有序化結(jié)構(gòu)、納米晶和多組分涂層等結(jié)構(gòu)，涂層材料和結(jié)構(gòu)不斷強(qiáng)化。各種涂層的摩擦磨損機(jī)理也隨著涂層制備技術(shù)的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用的擴(kuò)大而不斷進(jìn)步，并將進(jìn)一步深入和完善，以滿足不同領(lǐng)域?qū)τ诒砻嫱繉釉絹?lái)越苛刻的要求。

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