TiVN涂層的耐磨性與切削性能的關(guān)聯(lián)研究

范慶波 楊 帆 關(guān)曉艷 李 浩 樊小強 朱旻昊

1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都，6100312.中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院，鄭州，450007

0 引言

切削刀具在切削加工過程中通常伴隨著刀具與工件接觸界面溫度的升高，這使得加工環(huán)境進(jìn)一步惡化，因而對刀具防護(hù)涂層提出了巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。而傳統(tǒng)刀具防護(hù)涂層性能較為單一，難以適應(yīng)復(fù)雜惡劣的加工環(huán)境，如TiN涂層，是為了保護(hù)刀具而開發(fā)的，但其硬度和抗氧化性不足以滿足現(xiàn)代機械應(yīng)用的要求[3-6]；VN涂層是一種被廣泛研究的刀具自潤滑材料，V系氧化物具有易滑移的剪切面，在摩擦作用下可顯示出優(yōu)良的固體潤滑效果[7]，它在較寬溫度范圍內(nèi)的摩擦磨損特性對刀具的切削性能和使用壽命有重要影響[8-10]，但其硬度較低[11-12]，僅為TiN涂層的2/3，且磨損率較高，難以適應(yīng)高速切削加工。在過去的一段時間，研究人員發(fā)現(xiàn)在涂層中摻雜具有特定功能的金屬或非金屬元素可以有效改善涂層性能，如Al、Si元素能提高涂層的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能[13-15]，并能在磨損表面形成氧化層提高涂層耐磨性；C元素可以提高涂層的硬度并改善防護(hù)涂層室溫下的摩擦磨損性能[16]?；赥iN涂層的高硬度、高耐磨性和抗氧化特性以及VN涂層的寬溫域低摩擦的特點，本文將V引入TiN涂層以期獲得具有高硬度、高耐磨性且寬溫域下具有自潤滑效果的復(fù)合涂層，并滿足高速切削的寬溫域下高耐磨的需求。

此外，當(dāng)前針對刀具涂層的研究主要為考察涂層的常規(guī)摩擦磨損性能[2,17-19]。 但切削刀具，如麻花鉆，在實際切削工況中由于其形狀的不規(guī)則、鉆頭各部位受力情況復(fù)雜，因此各個部位的磨損情況不一，且深孔加工過程中散熱困難,會導(dǎo)致切削區(qū)域溫度急劇升高[20-21]，常規(guī)摩擦磨損實驗難以模擬這些苛刻工況?；诖?，本研究還將探索刀具涂層的摩擦磨損性能與其切削性能之間的關(guān)聯(lián)，以期為刀具涂層的評價提供新的思路。

本文采用多弧離子鍍技術(shù)，將V、Ti在氮氣和氬氣氣氛下沉積制備TiVN涂層和TiN涂層，并分析V的引入對TiN涂層的結(jié)構(gòu)、成分及力學(xué)性能的影響。此外，針對切削過程中存在的溫度變化，本文還研究了涂層在不同溫度下的摩擦磨損情況，然后通過對比分析涂層在不同溫度下的摩擦磨損情況和切削過程中涂層損傷情況指出涂層的摩擦磨損性能與其切削性能之間的關(guān)聯(lián)。

1 實驗材料及方法

1.1 試劑和材料制備

通過多弧離子鍍技術(shù)在單晶硅片、YG6試樣塊以及M2高速鋼麻花鉆表面沉積TiN涂層和TiVN涂層，靶材為Ti靶和V靶，其中單晶硅片用于涂層結(jié)構(gòu)表征，YG6試樣塊因其具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，用于研究涂層高溫摩擦性能。鍍膜前，將YG6試樣塊、單晶硅片和麻花鉆依次在丙酮和無水乙醇中各超聲清洗 15 min，再用無塵布擦洗干凈后裝入可旋轉(zhuǎn)基底架上，隨后抽真空并對樣品加熱至450 ℃。當(dāng)腔體真空度小于2×10-3Pa時，通入氬氣并對樣品施加-500 V偏壓，利用產(chǎn)生的氬離子對樣品進(jìn)行等離子清洗。然后降低偏壓至-50 V，并調(diào)節(jié)Ti靶電流為160 A，在基體表面沉積一層Ti過渡層，隨后引入氮氣，在Ti過渡層表面沉積TiN過渡層，最后調(diào)節(jié)V靶電流為0和110 A分別制備TiN和TiVN涂層。

1.2 實驗及表征

涂層微觀結(jié)構(gòu)通過X射線衍射(XRD，Philips X’Perts, Netherlands)進(jìn)行表征，X射線掠入角為1°，掃描范圍為20°～90°。利用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM7800F PRIME, Japan)和能譜儀(EDS)進(jìn)行涂層橫截面微觀形貌表征和成分分析。采用納米硬度計(MTS NanoIndenter G200, USA)測量涂層的硬度和彈性模量；采用劃痕測試儀(MFT-400, China)測量涂層的膜基結(jié)合力。

涂層的摩擦學(xué)性能通過高溫摩擦磨損試驗機(蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司，HT-1000)進(jìn)行測試，測試溫度分別為室溫、200 ℃、500 ℃和800 ℃，上試樣為WC球(φ6 mm)，為保證實驗的可靠性，每個溫度下至少進(jìn)行3次實驗。旋轉(zhuǎn)摩擦載荷為5 N，旋轉(zhuǎn)速度為200 r/min，循環(huán)周期為10 000。通過非接觸式三維表面輪廓儀(NP Flex, Germany)分析磨痕形態(tài)和磨損率。利用EDS對磨痕的成分進(jìn)行表征分析。

通過鉆頭檢測設(shè)備進(jìn)行切削實驗，切削鉆頭包括無涂層、鍍TiN涂層、鍍TiVN涂層的鉆頭，其中無涂層的鉆頭作為空白對照組。被切削材料采用工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛的45鋼，45鋼厚度為10 mm。切削測試鉆頭直徑為4 mm，主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min和2500 r/min，切削速度為0.1 mm/s，切削總行程分別為1 m和0.3 m(對應(yīng)于100孔和30孔)。通過SEM表征鉆頭磨損情況，通過測力傳感器監(jiān)測切削過程中加載力的變化，通過紅外熱成像儀(?？滴⒂皞鞲锌萍加邢薰?，H21Pro)監(jiān)測切削過程中溫度的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

TiN和TiVN涂層的XRD譜圖見圖1。XRD結(jié)果表明，TiN和TiVN由(111)、(200)、(220)和(311)晶面組成，呈B1-NaCl面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)。兩組XRD譜圖中只有一組FCC結(jié)構(gòu)的峰，表明涂層由單相固溶氮化物組成，而不是TiN和VN各自的結(jié)晶氮化物的共存[22-26]。與TiN涂層相比，TiVN涂層衍射峰向大角度偏移，表明摻雜V后TiN涂層晶格常數(shù)減小，這是因為V原子半徑(0.143 nm)小于Ti原子半徑(0.147 nm)，部分V原子取代Ti原子形成Ti(V)N固溶體時發(fā)生晶格畸變，導(dǎo)致晶格常數(shù)減小[27]；同時導(dǎo)致晶粒尺寸減小表現(xiàn)在XRD譜圖上為部分衍射峰變寬。TiN和TiVN涂層的橫截面SEM圖見圖2。兩種涂層均為均勻致密柱狀微觀結(jié)構(gòu)，摻雜V后柱狀結(jié)構(gòu)細(xì)化。EDS結(jié)果表明TiVN涂層中V含量為17.88%(原子含量)，V/(V+Ti)(原子比)約為0.383。

圖1 涂層的X射線衍射圖譜

(a)橫斷面 (b)結(jié)合力

TiN和TiVN涂層的硬度值(H)和彈性模量(E)采用加載-卸載方法測試，壓入深度為200 nm，所獲得的數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，摻雜V以后，TiVN涂層硬度由TiN的32.4 GPa升高至35 GPa。TiVN涂層硬度的提高主要歸因于固溶強化和細(xì)晶強化作用，即V摻雜導(dǎo)致晶格畸變和涂層晶粒尺寸減小。H3/E2在一定程度上反映了涂層抗塑性變形的能力[28-30]，影響涂層的耐磨性能，而通過表1可以發(fā)現(xiàn)TiVN涂層的H3/E2較高，即V的摻雜提高了涂層的耐磨性能。TiN和TiVN涂層的膜基結(jié)合力如圖2b所示，采用持續(xù)加載方法測試結(jié)合力，其中，橫坐標(biāo)為滑動位置，縱坐標(biāo)為聲發(fā)射信號和加載力變化，以聲發(fā)射信號開始發(fā)生突變時的載荷作為涂層的膜基結(jié)合力。由圖2可知，TiN涂層的膜基結(jié)合力為29.6 N，而TiVN涂層的膜基結(jié)合力為43.1 N，提高了近50%，表明V摻雜可以有效提高TiN涂層的膜基結(jié)合力，這主要歸因于V摻雜使涂層結(jié)構(gòu)更加致密[31-33]。

表1 TiN和TiVN涂層力學(xué)性能

2.2 摩擦學(xué)性能

圖3所示為TiN和TiVN涂層在室溫(RT)至800 ℃下摩擦因數(shù)。兩種涂層摩擦因數(shù)均隨溫度升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在200 ℃時摩擦因數(shù)達(dá)到最大值。通過表2可以發(fā)現(xiàn)，隨著摩擦測試的溫度由室溫升高至200 ℃，TiN涂層和TiVN涂層磨痕內(nèi)部氧含量均表現(xiàn)出增大趨勢，這表明摩擦溫度的升高促進(jìn)了磨痕表面氧化物的生成。根據(jù)CHANG等[19]、郭皓元等[34]的研究，氧化物的生成有利于摩擦因數(shù)的減小，而唐美[16]的研究結(jié)果表明，升高溫度同時會使得涂層表面吸附的水汽和其他潤滑性物質(zhì)耗散、變性進(jìn)而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大。因此，摩擦因數(shù)同時受到氧化物形成和吸附物質(zhì)耗散、變性的影響，這兩種影響競爭關(guān)系的綜合結(jié)果表現(xiàn)為涂層摩擦因數(shù)增大。摩擦實驗的溫度由200 ℃升高至500 ℃時，涂層的摩擦因數(shù)逐漸減小。由表2可知，這個過程中磨痕內(nèi)氧含量進(jìn)一步升高，表明摩擦氧化產(chǎn)物增加，導(dǎo)致摩擦因數(shù)較小[4,8]。當(dāng)摩擦實驗溫度由500 ℃升高到800 ℃時，涂層的摩擦因數(shù)進(jìn)一步減小。根據(jù)唐美[16]、郭皓元等[34]的研究， TiN涂層由于表面氧化物含量升高而摩擦因數(shù)減小，TiVN涂層摩擦因數(shù)的減小主要歸因于V2O5氧化物(熔點：690 ℃)熔化形成液體潤滑效果。

圖3 TiN和TiVN涂層在不同溫度下摩擦因數(shù)

表2 磨痕內(nèi)部O含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖4所示為TiN和TiVN涂層在室溫下摩擦后磨斑、磨痕光學(xué)顯微鏡照片及磨痕二維輪廓。由圖4a磨斑及磨痕表面的犁溝可知，涂層發(fā)生了磨粒磨損，而表2表明室溫下TiN磨痕內(nèi)氧含量極低，即TiN涂層在摩擦過程中具有較好的抗氧化性能，而TiVN磨痕內(nèi)氧含量明顯高于薄膜內(nèi)部氧含量，即V的引入促進(jìn)了涂層的氧化；前文表明氧化物的產(chǎn)生將減小涂層的摩擦因數(shù)，因此TiVN在室溫下的摩擦因數(shù)顯著小于TiN在室溫下的摩擦因數(shù)。此外，磨痕二維輪廓寬度和深度的顯著減小表明V摻雜可有效提高TiN涂層室溫下的減摩耐磨性能。

(a)TiN涂層

圖5所示為TiN和TiVN涂層在200 ℃下摩擦后磨斑、磨痕光學(xué)顯微鏡照片及磨痕二維輪廓。圖5a的磨痕顏色變化以及表2中氧元素的升高表明TiN涂層在200 ℃摩擦過程中發(fā)生了嚴(yán)重的氧化磨損，而磨痕深度大于涂層厚度，證明涂層已經(jīng)失效。圖5b中磨痕表面的犁溝和鋸齒狀的磨痕輪廓及磨痕輪廓高于涂層表面的現(xiàn)象，表明涂層發(fā)生了磨粒磨損和黏著磨損；但二維輪廓顯示磨痕最大深度遠(yuǎn)小于涂層厚度，表明V摻雜可以有效地提高TiN涂層200 ℃下的耐磨性能。

(a)TiN涂層

圖6所示為TiN和TiVN涂層在500 ℃下摩擦后磨痕、磨斑光學(xué)顯微鏡照片及磨痕二維輪廓。圖6a中磨斑及磨痕表面的犁溝表明發(fā)生了磨粒磨損；二維輪廓圖表明磨痕深度小于涂層厚度，即TiN涂層在500 ℃下并未失效。圖6b中磨痕及磨斑表面較為光滑，只存在較淺的犁溝，表面TiVN涂層有輕微的磨粒磨損。有趣的是，V摻雜后涂層磨痕深度反而增大，根據(jù)FATEH等[8]和唐美[16]的研究，V2O5具有較低的剪切強度且其層狀結(jié)構(gòu)極具擴散性，導(dǎo)致它在摩擦過程中易磨損。這也表明V元素?fù)诫s可以提供良好的固體潤滑效果，但由于涂層在摩擦過程中會不斷消耗TiVN生成V2O5，因此涂層損耗較大，耐磨效果變差。

(a)TiN涂層

圖7所示為TiN和TiVN涂層在800 ℃下摩擦后磨痕、磨斑光學(xué)顯微鏡照片及磨痕二維輪廓。圖7a中磨斑及磨痕表面的犁溝表明TiN涂層發(fā)生了磨粒磨損，但磨痕二維輪廓圖表明涂層磨痕深度小于其厚度，說明涂層尚未失效。圖7b表明摩擦過程中TiVN涂層發(fā)生大量剝落，這可能與V氧化物的熔化和凝固產(chǎn)生的應(yīng)力變化有關(guān)。

(a)TiN涂層

圖8所示為TiN和TiVN涂層在不同溫度下摩擦后的磨損率。可以看出V摻雜有效降低TiN涂層在室溫和200 ℃時的磨損率，這主要歸因于V摻雜提高了涂層硬度并減小了涂層的摩擦因數(shù)；而隨著摩擦溫度由室溫升高至200 ℃，TiN和TiVN的磨損率均升高，這歸因于摩擦因數(shù)的增大和磨痕表面的氧化。當(dāng)溫度升高至500 ℃時，TiN涂層磨損率顯著降低，而TiVN 涂層的磨損率卻一直升高。TiN涂層的磨損除了受到摩擦因數(shù)的影響外，還與升溫過程中涂層的力學(xué)性能及氧化情況有關(guān)；而與室溫及200 ℃下磨損相比，500 ℃下的磨損率卻降低了，表明TiN涂層的耐磨性能受到溫度的影響較小，摩擦因數(shù)小是改善其耐磨性能的主要原因。TiVN涂層磨損率升高主要與其較差的抗氧化性能有關(guān)，摩擦過程中生成的V2O5在減小摩擦因數(shù)的同時導(dǎo)致磨損率升高[16]。當(dāng)溫度升高至800 ℃，TiN 涂層磨損率的升高主要歸因于TiN減少，Ti氧化物增多。HU等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在500 ℃以上形成的TiO2氧化層的硬度、密度和耐磨性均低于TiN涂層的上述特性。而TiVN 涂層在800 ℃下生成液態(tài)的V2O5導(dǎo)致涂層發(fā)生剝落，失去耐磨效果。

圖8 TiN和TiVN涂層在不同溫度下的磨損率

2.3 涂層刀具加工性能

圖9所示為刀具轉(zhuǎn)速為500 r/min切削過程中刀具加載力的變化。隨著打孔數(shù)量的增加，刀具的加載力逐漸增大。此外，在切削實驗初期三種刀具均表現(xiàn)出較小的切削力，此時涂層對加載力的影響輕微；而隨著鉆孔數(shù)量的逐漸增加，刀具加載力逐漸增大，其中無涂層的刀具加載力增大最為顯著，在切削第51個孔時其加載力已升高至280 N。相比之下，鍍有涂層的刀具加載力升高速度較小且鍍有TiVN涂層刀具加載力變化最小，在切削第100個孔時，加載力依舊小于125 N。TAMURA等[36]認(rèn)為加載力隨切削刃的寬度增大而增大，可見在切削過程中鍍有TiVN涂層的刀具切削刃寬度增大幅度最小。圖9同時表明刀具涂層可通過減小加載力避免被加工樣件及加工設(shè)備在切削過程中因加載力過大導(dǎo)致的屈服。

圖9 500 r/min下切削過程中刀具加載力變化

通過圖10可以發(fā)現(xiàn)，在500 r/min轉(zhuǎn)速切削過程中隨著打孔數(shù)量的增加，加工區(qū)的溫度逐漸升高，在切削第100個孔時三種鉆頭的加工區(qū)溫度均超過160 ℃。此外，在500 r/min下，涂層的存在并未有效降低加工溫度，這可能與涂層在室溫至500 ℃下的摩擦因數(shù)均較高有關(guān)。

圖10 500 r/min下切削過程中加工區(qū)域溫度變化(第100孔的溫度超過設(shè)備第一檔檢測上限160 ℃)

為進(jìn)一步驗證刀具涂層摩擦學(xué)性能與切削性能之間的關(guān)聯(lián)，對轉(zhuǎn)速為500 r/min切削實驗前后刀具的表面形貌進(jìn)行了分析，如圖11和圖12所示。圖11為切削前刀具結(jié)構(gòu)示意圖，刀具具有鋒利、尖銳的刃口，在刀具的后刀面存在大量加工過程中產(chǎn)生的犁溝。

圖11 刀具結(jié)構(gòu)示意圖

圖12所示為切削實驗后刀具的表面形貌，可以發(fā)現(xiàn)無涂層刀具切削刃尖端、主切削刃和橫刃已完全磨損，但后刀面磨損輕微。這表明刀具的防護(hù)重點為切削刃尖端、主切削刃和橫刃。鍍有涂層的刀具在切削刃尖端、主切削刃和橫刃區(qū)域僅發(fā)生部分涂層的磨損和剝落，表明涂層可實現(xiàn)對刀具的有效保護(hù)。不僅如此，這些區(qū)域面臨的極端工況更能體現(xiàn)涂層對切削性能的影響。

(a)無涂層刀具 (b)TiN涂層刀具 (c)TiVN涂層刀具

圖13所示為切削實驗后刀具主切削刃尖端磨損情況。相比于圖12a中無涂層刀具主切削刃尖端的嚴(yán)重磨損，兩種涂層刀具主切削刃尖端僅出現(xiàn)了輕微的涂層剝落和刀具磨損，表明刀具涂層可對主切削刃尖端起到有效的防護(hù)效果。另外，在圖12a和圖13b中可以發(fā)現(xiàn)細(xì)小的球狀顆粒，EDS表征表明其成分主要為Fe及其氧化物，表明球狀顆粒為被加工材料或刀具材料在切削過程中發(fā)生融化，產(chǎn)生了小液滴。這進(jìn)一步表明在切削過程中主切削刃尖端的溫度非常高，因此主切削刃尖端的涂層更容易產(chǎn)生磨損和剝落，進(jìn)而失去防護(hù)效果。

(a)TiN涂層刀具

圖14為切削實驗后刀具主切削刃掃描電鏡照片。相比于圖12a中無涂層刀具主切削刃的嚴(yán)重磨損，兩種涂層刀具主切削刃損傷明顯減小，僅發(fā)現(xiàn)少量的涂層剝落和磨損；TiN涂層刀具主切削刃的局部放大圖顯示在涂層與基體的界面處存在裂紋和碎屑，表明在切削過程中發(fā)生斷裂進(jìn)而產(chǎn)生剝落；而TiVN涂層刀具掃描電鏡照片中并未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋，僅在涂層與基體的基面發(fā)現(xiàn)明顯的磨損，在涂層表面發(fā)現(xiàn)明顯的黏著。可見TiVN涂層因為具有更大的結(jié)合力和更強的韌性，它的主切削刃的損傷區(qū)域更窄，因此對刀具的防護(hù)作用更佳。

(a)TiN涂層刀具

圖15為切削后刀具橫刃掃描電鏡照片。橫刃在鉆頭的尖端，在切削過程中承受的法向加載力遠(yuǎn)大于其他部位，因此極易發(fā)生磨損。相比于圖12a中無涂層刀具橫刃因磨損消失，兩種涂層刀具的橫刃磨損顯得輕微，涂層刀具橫刃保持了原有形狀；通過對橫刃形貌分析可以發(fā)現(xiàn)，TiN涂層的剝落區(qū)域大于TiVN涂層的剝落區(qū)域，而且通過對剝落界面的形貌分析發(fā)現(xiàn)，TiVN涂層以磨損失效為主，伴隨局部剝落，而TiN涂層以剝落為主。上述結(jié)果表明，TiVN涂層優(yōu)異的膜基結(jié)合力有效提高了它對橫刃的防護(hù)效果。

(a)TiN涂層刀具

圖16為切削實驗前后刀具后刀面掃描電鏡照片。圖16a表明未切削鉆頭后刀面存在加工留下的劃痕；切削實驗后，無涂層刀具后刀面出現(xiàn)明顯的材料轉(zhuǎn)移，表明發(fā)生黏著磨損，如圖16b所示。

(a)未切削刀具 (b)未鍍膜刀具

鍍有TiN和TiVN涂層鉆頭后刀面形貌如圖16c和圖16d所示，刀具表面涂層未發(fā)現(xiàn)明顯的剝落和磨損，表明TiN和TiVN涂層可降低刀具后刀面的磨損并減少刀具與被加工材料之間的黏著。

上述研究表明,在500 r/min的切削條件下，加工區(qū)域溫度較低，通常在150 ℃以內(nèi)。為了進(jìn)一步探索涂層在苛刻環(huán)境下對刀具的防護(hù)效果，開展刀具在2500 r/min工況下的切削測試，切削過程中鉆頭加載力以及加工區(qū)域溫度分別如圖17和圖18所示。無涂層刀具在切削第9個孔時加載力便超過250 N，此時切削區(qū)的溫度超過370 ℃；TiN涂層刀具在切削第13個孔的時候加載力超過350 N，此時切削區(qū)的溫度急劇升高至370 ℃以上；相比之下，TiVN涂層刀具在切削第30個孔時加載力方升高至250 N，它的切削區(qū)溫度依舊低于350 ℃。圖18表明,2500 r/min下切削區(qū)溫度顯著高于500 r/min下切削區(qū)溫度，且TiVN涂層的切削區(qū)溫度一直保持較低的狀態(tài)，而與無涂層刀具相比，鍍有TiN和TiVN涂層的鉆頭在較高的切削溫度(如大于150 ℃)下依舊具有較小的加載力和較好的加工性能。

圖17 2500 r/min下切削過程中切削力變化

圖18 2500 r/min下切削過程中加工區(qū)域溫度變化(當(dāng)溫度超過設(shè)備檢測上限370 ℃時無法給出誤差)

圖19分別為2500 r/min切削工況下切削9孔的未鍍膜鉆頭、切削13孔的TiN涂層鉆頭和切削30孔的TiVN涂層鉆頭掃描電鏡照片。無涂層鉆頭和TiN涂層鉆頭的主切削刃和橫刃無法辨認(rèn)，且鉆頭表面氧元素信號明顯。由圖8可知，TiN涂層在低于200 ℃時，隨著溫度的升高磨損率顯著升高，因此隨著切削速度增大，加工區(qū)溫度升高，涂層的磨損加劇，涂層的壽命大幅縮短。相比之下，TiVN涂層的磨損在低于500 ℃時隨著溫度升高磨損增加幅度較小，因此TiVN涂層鉆頭在2500 r/min切削工況下表面僅存在部分涂層的剝落，EDS元素面掃描顯示涂層表面氧元素信號強于500 r/min切削工況下涂層刀具表面氧元素信號，表明在2500 r/min切削工況下TiVN涂層依舊發(fā)生了氧化和剝落，但涂層優(yōu)異的耐磨性能以及它與基體優(yōu)異的結(jié)合力使得TiVN涂層鉆頭在2500 r/min切削工況下?lián)p傷最為輕微。

(a)無涂層刀具(切削9孔) (b)TiN涂層刀具(切削13孔) (c)TiVN涂層刀具(切削30孔)

綜上可知，在鉆頭的主切削刃尖端和橫刃位置涂層最容易磨損和剝落，而在后刀面位置涂層的損傷輕微。在2500 r/min切削工況下接觸區(qū)溫度較高，涂層的磨損加劇，因此在氧化和磨損等作用下加速失效；TiVN涂層在高速切削工況下因優(yōu)異的耐磨性能和膜基結(jié)合作用對鉆頭起到良好的保護(hù)效果。

3 結(jié)論

本文采用多弧離子鍍在高溫鋼、麻花鉆頭上制備了TiN涂層和TiVN 涂層，利用XRD、SEM、EDS、納米壓痕儀、劃痕測試儀研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)、成分和力學(xué)性能；利用高溫摩擦磨損試驗機和鉆頭檢測設(shè)備研究了涂層的摩擦磨損性能和切削性能之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

(1)TiN涂層和TiVN涂層為面心立方結(jié)構(gòu)，V摻雜使衍射峰向大角度偏移，且逐漸寬化；兩種涂層橫截面呈均勻致密柱狀結(jié)構(gòu)，V摻雜使晶粒細(xì)化；V摻雜以固溶形式存在，涂層為單相固溶體。V摻雜使TiN涂層硬度和結(jié)合力增大，分別達(dá)到35 GPa和43.1N，涂層硬度的增大主要是固溶強化和細(xì)晶強化的共同作用。

(2)室溫下TiN涂層摩擦過程中未發(fā)生氧化，而摻雜V后涂層摩擦過程中發(fā)生氧化，生成具有潤滑作用的氧化物進(jìn)而減小了摩擦因數(shù)和磨損率。

(3)兩種涂層摩擦因數(shù)隨溫度的升高先增大后減小，在200 ℃時摩擦因數(shù)最大。由于摻雜V后，TiN涂層更容易生成具有潤滑效果的氧化物，因此TiVN的摩擦因數(shù)較小，而當(dāng)溫度超過200 ℃時，TiVN發(fā)生嚴(yán)重氧化甚至相變，因此它的耐磨性能較TiN差。

(4)鉆頭的主切削刃尖端部分在切削過程中溫度最高，因此最容易產(chǎn)生損傷，它對涂層的高溫膜基結(jié)合強度和耐磨性能有著較高的要求；鉆頭的橫刃和主切削刃位置溫度較低，但對涂層與基體的結(jié)合強度和耐磨性能同樣有著較高的要求。由于麻花鉆形狀不規(guī)則，應(yīng)力以及溫度分布復(fù)雜，需采用不同溫度下的結(jié)合強度和耐磨性評價刀具的涂層性能。

(5)在中低速下，鉆頭切削過程中的平均溫度低于200 ℃；在高速下，鉆頭切削過程中平均溫度高于200 ℃但低于500 ℃；在此條件下，TiVN涂層較TiN涂層具有更為優(yōu)異的耐磨性能和膜基結(jié)合強度，因此TiVN涂層對鉆頭的保護(hù)效果更佳。