TiN、Ti0.56 Al0.44 N 和Al0.65 Ti0.35 N 涂層刀具的摩擦特性對比研究*

劉愛華

(山東交通學院機械制造系，山東 濟南250023)

表面涂層作為一種改善材料性能的有效手段，在當前的科學研究和工程應用中扮演著日益重要的角色。Ti 基氮化物涂層中研究最早的是TiN 涂層，其具有高強度、高硬度及較高的抗氧化性等特點，因而廣泛應用于金屬切削刀具。但隨著先進制造技術的發展，對切削刀具的要求也越來越高，單一的TiN 涂層不能夠滿足生產需要。研究發現，在TiN 涂層基礎上加入Al 元素形成的TiAlN 涂層具有很好的合金化特性，硬度、摩擦和氧化等各項性能均得到了明顯提高［1-4］。其中，當Al 含量較高時稱為AlTiN 涂層。

刀具在切削過程中的磨損一直是工程技術人員關注的重點，關于TiN、TiAlN 和AlTiN 涂層的摩擦學的研究很多，表1 中列出了其中有代表性的部分。可以看出，目前涂層的摩擦學研究所使用的實驗參數比較單一，特別是實驗速度與涂層的使用條件相差較大，并且缺少TiN、TiAlN 和AlTiN 涂層之間系統的對比研究。本文針對TiN、TiAlN 和AlTiN 這3 種涂層，在不同速度和載荷下考察涂層的摩擦特性并進行系統的對比研究，揭示3 種涂層在不同使用工況下的磨損情況，為3 種涂層的使用提供實驗依據。

表1 涂層摩擦學研究

1 摩擦實驗

在本研究中選用球-盤接觸方式所提供的點接觸形式進行摩擦試驗，所產生的高應力以求接近涂層實際的使用工況。其中TiN、TiAlN 和AlTiN 涂在YG6(WC+ 6 wt% Co)基體盤的表面，對磨球采用純SiC 制成。

摩擦試驗在CETR UMT-2 摩擦磨損試驗機上進行，速度為20～120 m/min，載荷為5 ～15 N，根據摩擦實驗的結果，對3 種涂層的摩擦特性進行對比。

2 TiN、Ti0.56 Al0.44 N 和Al0.65 Ti0.35 N 涂層的摩擦特性

2.1 摩擦系數

圖1 分別給出了TiN、TiAlN 和AlTiN 這3 種涂層在載荷10 N 的實驗條件下摩擦系數隨速度的變化情況。由圖1 看出，3 種涂層在摩擦過程中都存在明顯的跑合階段和穩定階段。跑和階段的摩擦系數明顯增大，這是由于摩擦副剛開始接觸，二者表面的微凸體強烈摩擦造成的。隨著磨損的進行，三種涂層同時在摩擦次數約為2 000 次時達到穩態，此時的摩擦達到動態平衡，磨屑的產生與排出基本保持平衡，摩擦系數大體平穩。比較3 種涂層的摩擦系數曲線發現，隨速度的增加，摩擦系數大體呈減小趨勢，在120 m/min 時達到最小，說明高速下的摩擦阻力較小，摩擦表面之間較為光滑。另外，與TiN 和AlTiN 涂層相比，TiAlN 涂層在各速度下的波動較小，說明TiAlN 涂層的摩擦狀態平穩，而TiN 和AlTiN 涂層在摩擦過程中產生的較多磨屑來不及排出或者是摩擦過程中的不穩定因素造成了摩擦動蕩。圖1d 比較了3 種涂層在穩定摩擦狀態各速度下的平均摩擦系數。發現:TiN 與TiAlN 涂層在各溫度下的摩擦系數相當，均小于AlTiN 涂層。

圖2 給出了涂層摩擦系數隨載荷的變化曲線。對于TiN 涂層，摩擦系數隨載荷的增加呈現明顯的減小趨勢，這可能是由于隨法向載荷的增加，磨屑能夠被壓實，所形成的“第三體”有益于摩擦的進行。TiAlN 和AlTiN 涂層摩擦系數隨載荷變化的規律不明顯。3 種涂層的共同點在于隨載荷的增加，進入穩定摩擦狀態摩擦時間縮短，這是由于隨接觸表面應力的增大，加速了磨屑的形成，使得摩擦較快地進入了穩定狀態。通過比較3 種涂層在各載荷下穩態平均摩擦系數發現，AlTiN 仍具有最大的摩擦系數，揭示了此涂層在本實驗環境下與SiC 對磨時較差的摩擦特性。

2.2 磨損表面及磨痕輪廓

圖3 給出了TiN 與TiAlN 兩種涂層經不同的速度摩擦后由白光干涉儀獲得的二維輪廓曲線，并進行了不同速度之間的對比。TiN 涂層的磨痕深度隨速度的變化呈現明顯的階梯變化的趨勢，且隨速度的增加其磨痕深度減小;經低速(20 m/min 和40 m/min)摩擦后的磨痕底部出現了明顯的粗糙犁溝，說明低速下對磨球對涂層起到切削作用，而在高速下磨痕相對光滑，摩擦過程可以看成是以拋光為主導。

TiAlN 涂層的磨痕深度隨速度的變化產生了突變，高速下的磨損比低速下的磨損明顯減小，TiAlN 涂層在高速下更能顯示出其優良性能;與TiN 涂層相反，TiAlN 涂層在低速下以拋光型的摩擦為主導，產生了光滑的磨痕，而在高速下存在明顯的犁溝。

由圖4 可以看出，隨載荷的增加，TiN 涂層磨痕的寬度和深度均增加，磨損加劇，表明涂層的承載能力較差。而TiAlN 涂層在低載(5 N)時的磨痕深度最大，而在高載時磨損量反而減小，說明其承載能力較好，適用于較高載荷的工作環境;值得指出的是，TiAlN 涂層在高載下的磨痕存在部分高于未被摩擦表面的現象，這是由于磨屑粘著或者是涂層嚴重變形引起的。

實驗結束后，對AlTiN 涂層摩損后的磨痕進行檢測發現，在上述的任何實驗條件下涂層均已磨穿，基體外漏。說明在相同的實驗條件下3 種涂層中AlTiN 涂層的耐磨性較差。因為涂層磨穿后磨痕的深度受基體的影響，因此對各試驗條件下的磨痕進行對比意義不大。為了能夠更好地研究AlTiN 涂層的摩擦特性，減少摩擦次數進行重復試驗。其中，在速度為120 m/min、壓力為10 N 的條件下，發現當摩擦次數為5 000 次時，涂層處于臨界磨穿的狀態，圖5 為相應的磨痕。AlTiN涂層的摩擦以犁溝磨損為主，在磨損表面存在明顯的溝槽，說明在摩擦的過程中摩擦表面之間以犁削為主要的摩擦方式，這種惡劣的摩擦形式是造成摩擦系數增大且動蕩的主因，如圖1c。

3 3 種涂層的摩擦特性對比分析

通過對以上3 種涂層的摩擦特性進行對比分析可以發現，3 種涂層中TiAlN 涂層具有最優的摩擦特性，其在高速高載下均具有最好的耐磨特性，磨損量較小。一般認為，在一定范圍內增加TiAlN 中的Al 含量可以提高涂層的摩擦、氧化等特性［9］。但是在本試驗條件下，高Al 含量的AlTiN 未顯示出摩擦優勢，摩擦性能反而降低。

由圖5 AlTiN 涂層的磨痕輪廓可以發現，AlTiN 涂層在摩擦的過程中發生了嚴重的脆性破壞，而不是緩和的摩擦磨損。經分析發現，產生這種現象的原因是由于涂層與對磨球之間發生了嚴重的粘著磨損，而在其他兩種涂層中未發生此種現象。造成這一現象的原因為Al 元素具有很強的化學活性，隨Al 元素含量的增加，這種活性使得摩擦副之間的粘接性加強，二者之間發生嚴重的粘著磨損［7］。另外，AlTiN 涂層在高速摩擦過程中產生大量的Al2O3，使得對磨球嚴重磨損，大量的磨屑聚集在封閉的摩擦環境中來不及排出，聚集在摩擦區域形成了較大的“第三體”，在摩擦力作用下對涂層形成了嚴重的“機械磨損”，這不僅會造成摩擦系數的較大波動，也使得AlTiN 涂層在此實驗環境下嚴重磨損。

4 結語

本文在速度20～120 m/min，載荷5 ～15 N 的實驗環境下，對TiN、Ti0.56Al0.44N 和Al0.65Ti0.35N 這3 種涂層的摩擦特性進行了對比研究，得出結論如下:

(1)在3 種涂層中，TiAlN 涂層在高速高載工作環境下的磨損較少，表現出最好的摩擦特性。而在相同的實驗環境下，AlTiN 涂層磨損最嚴重。

(2)隨Al 元素含量的增加，具有很強化學活性的Al 元素使得AlTiN 涂層摩擦副之間的粘接性增加，發生了嚴重的粘著磨損。另外，與AlTiN 涂層對磨的摩擦球產生了嚴重磨損，聚集在摩擦區域內的磨屑形成了較大的“第三體”，這對涂層產生一種嚴重的“機械磨損”作用。這是在此實驗條件下AlTiN 涂層磨損嚴重的主要原因。

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