軟硬涂層刀具材料與木質復合材料的摩擦特性

郭曉磊 何繼龍 慶振華 衛 宏 曹平祥(. 南京林業大學材料科學與工程學院 南京 007； . 藍幟(南京)工具有限公司 南京 00； . 合肥工業大學機械工程學院 合肥 0009)

軟硬涂層刀具材料與木質復合材料的摩擦特性

郭曉磊1何繼龍2慶振華3衛 宏1曹平祥1
(1. 南京林業大學材料科學與工程學院 南京 210037； 2. 藍幟(南京)工具有限公司 南京 211100； 3. 合肥工業大學機械工程學院 合肥 230009)

【目的】 分析軟硬涂層刀具材料與木質復合材料的摩擦特性，為涂層硬質合金木工刀具的磨損及切削性能研究提供實踐指導。【方法】 測試TiN硬涂層硬質合金、MoS2軟涂層硬質合金和未涂層硬質合金與木質復合材料的摩擦系數及磨損前后的粗糙度變化，研究涂層刀具材料與木質復合材料的摩擦特性。【結果】 MoS2軟涂層硬質合金與中密度纖維板(MDF)、刨花板(PB)和木粉/PE復合材料(WFPEC)的摩擦系數明顯低于未涂層硬質合金和TiN硬涂層硬質合金，且TiN硬涂層硬質合金低于未涂層硬質合金； PB與未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金的摩擦系數明顯低于MDF和WFPEC，且WFPEC低于MDF； 未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與MDF和PB的摩擦試驗中，隨著載荷增加，摩擦系數逐漸增大，而與WFPEC的摩擦試驗中，隨著載荷增加，摩擦系數沒有明顯變化趨勢； 與MDF磨損試驗前后，未涂層硬質合金磨損表面粗糙度變化率最大，MoS2軟涂層硬質合金表面粗糙度變化率其次，TiN硬涂層硬質合金表面粗糙度變化率最小。【結論】 TiN硬涂層材料和MoS2軟涂層材料可有效降低與木質復合材料的摩擦系數，且MoS2軟涂層硬質合金摩擦系數低于TiN硬涂層硬質合金，而TiN硬涂層硬質合金耐磨性能優于MoS2軟涂層硬質合金。

硬質合金； TiN硬涂層； MoS2軟涂層； 木質復合材料； 摩擦系數

隨著“中國制造2025”發展戰略的提出，我國正由木制品(木質家具、地板和門窗)制造大國向制造強國轉變(秦光遠等， 2016)。同時，大量高速、高效、柔性、復合、環保的切削加工新技術不斷涌現，使木制品切削加工發生了根本變化，木材高速高效切削加工技術正成為研究熱點(Ossesetal.， 2013； 郭曉磊等， 2016)。相對于傳統切削，高速切削速度可達80 m·s-1以上，給高速切削的推廣應用提出了諸多問題。在木材高速切削加工過程中，由于外載荷作用，工件材料與刀具間會發生高速的瞬間碰撞，產生超常規激變，工件材料的變形量大，應變速率可達105～107s-1；而且，切屑的瞬間形成及刀具-工件-切屑之間的劇烈摩擦，可導致切削刃高溫產生，加快刀具磨損(曹平祥等， 2010； 郭曉磊等， 2011； 2012)。

在高速切削過程中，高溫性能差、易磨損等缺陷使得普通硬質合金刀具無法適應高速高效加工的要求，限制了硬質合金材料的進一步應用(郭曉磊， 2012； Guoetal.， 2014； 朱兆龍等， 2017)，而涂層技術的出現為硬質合金材料應用于木工刀具制造提供了廣闊前景。涂層刀具是在強度較好的硬質合金或高速鋼基體表面上涂覆薄薄的一層或多層減摩性或耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物而獲得的，該技術使刀具結合了涂層材料優異的耐熱性、耐磨性、化學穩定性以及高硬度和基體的優異強度，可以有效提高刀具的使用壽命(魏莎莎等， 2014； 曹偉， 2016； 張而耕等， 2016)。目前，涂層材料主要分為兩大類： 一類是硬涂層，主要用于提高刀具的硬度和耐磨性； 另一類是軟涂層，主要用于降低刀具與工件材料的摩擦系數，減少摩擦磨損(鄧建新等， 2005； 趙金龍等， 2007； 王洪濤等， 2016； 黑鴻君等， 2016)。涂層硬質合金刀具已經廣泛應用于金屬切削加工領域，但在木材切削刀具領域應用較少，常見涂層材料主要是TiN硬涂層(李黎， 2007； 曾娟等， 2007)。木工刀具材料與工件材料之間的摩擦特性影響著刀具的磨損、使用壽命及切削加工質量，因此對涂層硬質合金刀具材料與木質復合材料之間的摩擦特性進行研究，有助于為涂層硬質合金木工刀具的磨損及切削性能研究提供實踐指導。

鑒于此，本文通過測試未涂層硬質合金刀具材料、TiN硬涂層硬質合金刀具材料和MoS2軟涂層硬質合金刀具材料與木質復合材料(MDF、PB和WFPEC)之間的摩擦系數，研究不同涂層材料與不同木質復合材料之間的摩擦特性，以期為涂層硬質合金木工刀具的磨損及切削性能研究提供實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用刀具材料采用藍幟(南京)工具有限公司制造的硬質合金(YG8)刀具基體材料，對其表面分別進行TiN和MoS2涂層，試制未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金3種試樣。試驗用木質復合材料為中密度纖維板 (MDF)、刨花板(PB)和木粉/PE復合材料(WFPEC)： MDF為大亞人造板集團有限公司(江蘇丹陽工廠)生產，密度為0.75 g·cm-3； PB為大亞人造板集團有限公司(廣東惠州工廠)生產，密度為0.65 g·cm-3； WFPEC為南京聚鋒新材料有限公司生產，楊木粉與PE比值為60∶40，密度為1.15 g·cm-3。

1.2 試驗方法

摩擦試驗在M-200型摩擦磨損試驗機上進行。刀具材料試樣(上試樣)尺寸為20 mm×5 mm×5 mm，木質復合材料試樣(下試樣)尺寸為外徑40 mm、厚度10 mm、內徑20 mm。試驗原理如圖1所示，上試樣與下試樣在載荷FN的作用下產生摩擦力F。

圖1 摩擦系數測試原理Fig.1 The schematic diagram of friction coefficient test

根據庫侖摩擦定律：

F=μFN。

式中：F為摩擦力；μ為摩擦系數；FN為載荷。

同時摩擦力F對下試樣產生一扭矩M，即：

M=Fr=μrFN。

式中：r為下試樣的半徑。

所以有：

通過測試扭矩M計算摩擦系數μ。試驗測試25、50、75和100 N載荷作用下各摩擦副的摩擦系數，同一試驗進行5組，取平均值，并求出偏差。

為了反映未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金的耐磨性能，本文對摩擦試驗前后刀具材料的表面粗糙度進行測量，用磨損后的表面粗糙度減去磨損前的表面粗糙度，然后除以磨損前的表面粗糙度，計算出摩擦試驗前后表面粗糙度變化率。分別在25和100 N載荷條件下，進行未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與MDF摩擦試驗5 min，同一試驗進行5組，取平均值，對摩擦試驗前后的表面粗糙度變化率進行測試。采用輪廓算術平均偏差(Ra)、微觀不平度十點高度(Rz)和輪廓最大高度(Ry)作為表面粗糙度的指標值。

2 結果與分析

2.1 涂層材料與MDF的摩擦特性

圖2所示為未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與MDF的摩擦系數隨載荷增大的變化規律。由圖2可知，未涂層硬質合金和軟硬涂層硬質合金與MDF的摩擦系數大小順序為未涂層硬質合金gt;TiN硬涂層硬質合金gt;MoS2軟涂層硬質合金。這是因為，在微觀情況下，未涂層硬質合金表面存在硬質相之間的裂隙，表面呈現出凹凸不平，與MDF接觸以點接觸為主，在載荷作用下摩擦副之間接觸應力較大，造成與MDF的摩擦系數高；而TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金刀具材料緊密涂覆在硬質合金基體表面后，彌補了硬質合金基體表面硬質相之間的裂隙，表面平整光滑，有助于降低摩擦系數。此外，MoS2是一種固體潤滑材料，相較于TiN，自潤滑功能更好(Fagaetal.， 2006； Pinheiroetal.， 2009)，從而使MoS2軟涂層硬質合金與MDF的摩擦系數最小。因此可以認為，相對于未涂層硬質合金和TiN硬涂層硬質合金刀具材料，MoS2軟涂層材料對降低摩擦系數有顯著作用。

圖2 涂層材料與MDF的摩擦系數Fig.2 Friction coefficients between coated materials and MDF

此外，從圖2還可以看出，未涂層硬質合金與MDF的摩擦系數隨著載荷變化的擬合曲線斜率最大，TiN硬涂層硬質合金與MDF次之，而MoS2軟涂層硬質合金與MDF最小。這是因為，未涂層硬質合金與MDF點接觸時，隨著正壓力增大，產生嵌入式摩擦，而且MDF表面微變形造成了表面材性變化，進而影響了材料表面的摩擦系數。圖2也說明在未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與MDF的摩擦副中，隨著載荷增大，未涂層硬質合金摩擦系數逐漸增大趨勢明顯，TiN硬涂層硬質合金摩擦系數逐漸增大趨勢次之，MoS2軟涂層硬質合金摩擦系數并沒有表現出明顯變化趨勢。因此可以認為，MoS2軟涂層硬質合金更適合于對切削力要求大的切削加工場合。

2.2 涂層材料與PB的摩擦特性

圖3所示為未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與PB的摩擦系數隨載荷增大的變化規律。由圖3可知，與MDF摩擦試驗結果相似，隨著載荷從25 N增大到100 N，未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與PB的摩擦系數大小順序為未涂層硬質合金gt;TiN硬涂層硬質合金gt;MoS2軟涂層硬質合金； 但是，未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與PB的摩擦系數相對應地高于與MDF的摩擦系數。這是因為，相對于MDF本身組成單元為木纖維，PB的組成單元則為木刨花，其顆粒尺寸差異大、形態不規整，造成PB表面有較多空隙，形成明顯的凹凸不平。在載荷作用下，PB表面與刀具材料接觸主要為點接觸，在摩擦過程中受到的接觸應力較大，凸起的木刨花發生一些塑性變形，造成摩擦力增大，進而摩擦系數也相應增大。

圖3 涂層材料與PB的摩擦系數Fig.3 Friction coefficients between coated materials and PB

2.3 涂層材料與WFPEC的摩擦特性

圖4所示為未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與WFPEC的摩擦系數隨載荷增大的變化規律。由圖4可知，在載荷為25～100 N的變化范圍內，未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與WFPEC的摩擦系數在0.13～0.43之間，其摩擦系數范圍較小，小于與MDF和PB的摩擦系數。這是因為，WFPEC本身是由木粉顆粒和聚乙烯復合而成的，密度較大，材質比較均勻細密，表面光滑，進而導致摩擦系數較低。

此外，隨著載荷增大，未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與WFPEC的摩擦系數并沒有明顯的變化趨勢。其主要原因在于，WFPEC表面足夠光滑，在載荷增大的作用下，摩擦副之間的接觸應力并沒有發生明顯不同，所以載荷對摩擦系數的影響并不顯著。

圖4 涂層材料與WFPEC的摩擦系數Fig.4 Friction coefficients between coated materials and WFPEC

2.4 磨損前后表面粗糙度的變化率

表1所示為在25 N和100 N載荷作用下，未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與MDF摩擦試驗前后的表面粗糙度平均值。

表1 涂層材料與MDF摩擦試驗前后表面粗糙度Tab.1 The roughness of coated material before and after friction test

根據表1數據，對摩擦試驗前后的表面粗糙度變化率進行計算。圖5所示為未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金摩擦試驗前后表面粗糙度的變化率。由圖5可知，無論是在25 N還是在100 N的載荷條件下，未涂層硬質合金摩擦試驗前后表面粗糙度變化率都最大，MoS2軟涂層硬質合金摩擦試驗前后表面粗糙度變化率均一定程度降低，而TiN硬涂層硬質合金摩擦試驗前后表面粗糙度變化率均最小。這說明未涂層硬質合金經過摩擦試驗后，其表面磨損最為嚴重； MoS2軟涂層硬質合金表面磨損次之； 而TiN硬涂層硬質合金表面磨損最小。也就是說，TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金耐磨性優于未涂層硬質合金，且TiN硬涂層硬質合金好于MoS2軟涂層硬質合金。其主要原因在于，TiN硬涂層材料涂覆在硬質合金基體表面，提高了刀具表面硬度，提高了耐磨性，進而有效降低了磨損； 而MoS2軟涂層材料涂覆在硬質合金基體表面，具有減摩功能，提高了刀具表面的摩擦性能，減小了摩擦系數，進而有效降低了磨損。

此外，從圖5還可以看出，相較于25 N載荷條件，100 N載荷條件下未涂層硬質合金表面粗糙度變化率較大； 而TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金在25 N和100 N載荷條件下表面粗糙度變化率相差并不十分明顯，這與摩擦系數的變化相一致，載荷的變化對未涂層硬質合金的磨損影響較大，而對TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金磨損影響較小。

圖5 涂層材料摩擦試驗前后表面粗糙度變化率Fig.5 Friction-induced change rate of the surface roughness of coated tool samples

3 結論

1) 在相同載荷條件下，未涂層硬質合金與MDF、PB和WFPEC的摩擦試驗中，摩擦系數最高，TiN硬涂層硬質合金的摩擦系數次之，MoS2軟涂層硬質合金的摩擦系數最低； 且未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與木質復合材料的摩擦試驗中，與PB的摩擦系數最大，與MDF的摩擦系數次之，與WFPEC的摩擦系數最小。

2) 在25～100 N載荷范圍內，未涂層硬質合金、TiN硬涂層硬質合金和MoS2軟涂層硬質合金與MDF和PB的摩擦試驗中，隨著載荷增加，摩擦系數逐漸增大； 而與WFPEC的摩擦試驗中，隨著載荷增加，摩擦系數并沒有表現出明顯變化趨勢。

3) 與MDF磨擦試驗前后，未涂層硬質合金磨損表面粗糙度變化率最大，MoS2軟涂層硬質合金表面粗糙度變化率次之，TiN硬涂層硬質合金表面粗糙度變化率最小。

曹平祥, 王寶金, 李偉光, 等. 2010. 刨刀加熱對縱向刨切厚單板表面質量的影響. 南京林業大學學報： 自然科學版, 34(4): 45-48.

(Cao P X, Wang B J, Li W G,etal. 2010. Effect of heating knife on thick veneer quality during longitudinally slicing. Journal of Nanjing Forestry University： Natural Science Edition, 34(4): 45-48. [in Chinese])

曹 偉. 2016. 硬質合金涂層的效能. 機電工程技術, 45(4): 80-83.

(Cao W. 2016. Hard alloy coating performance. Mechanical amp; Electrical Engineering Technology, 45(4): 80-83. [in Chinese])

鄧建新, 鈕平章, 王景海, 等. 2005. “軟”涂層刀具的發展與應用. 工具技術, 39(3): 10-12.

(Deng J X, Niu P Z, Wang J H,etal. 2005. Development and application of soft coating tool. Tool Engineering, 39(3):10-12. [in Chinese])

郭曉磊, 劉會楠, 曹平祥. 2011. 木質復合材料銑削過程中切屑流的形成分析. 南京林業大學學報： 自然科學版, 35(5): 74-78.

(Guo X L, Liu H N, Cao P X. 2011. Formation mechanism of chip flow in the milling of wood based materials. Journal of Nanjing Forestry University： Natural Science Edition, 35(5): 74-78. [in Chinese])

郭曉磊. 2012. 中密度纖維板切削加工機理的研究. 南京： 南京林業大學博士學位論文.

(Guo X L. 2012. Study on the mechanism of medium density fiberboard cutting. Nanjing： PhD thesis of Nanjing Forestry University. [in Chinese])

郭曉磊, 劉會楠, 曹平祥, 等. 2012. 陶瓷刀具材料與木質復合材料的摩擦特性分析. 東北林業大學學報, 40(10): 131-133.

(Guo X L, Liu H N, Cao P X,etal. 2012. Tribological properties of ceramic cutting tool materials and wood-based materials. Journal of Northeast Forestry University, 40(10): 131-133. [in Chinese])

郭曉磊，朱南峰，王 潔，等. 2016. 切削速度和切削厚度對纖維板切削力和表面粗糙度的影響. 林業工程學報，1(4): 114-117.

(Guo X L, Zhu N F, Wang J,etal. 2016. Effect of cutting speed and chip thickness on cutting force and surface roughness of fiberboard. Journal of Forestry Engineering，1(4): 114-117. [in Chinese])

黑鴻君, 高 潔, 賀志勇, 等. 2016. 普通硬質涂層和超硬涂層的研究進展. 機械工程材料, 40(5): 1-15,19.

(Hei H J, Gao J, He Z Y,etal. 2016. Research progress on conventional hard and superhard coatings. Materials for Mechanical Engineering, 40(5): 1-15,19. [in Chinese])

李 黎. 2007. 表面涂層木工刀具的研究進展. 木材工業, 21(4): 1-4.

(Li L. 2007. Advances in research on wood cutting tools plated with membranes. China Wood Industry, 21(4): 1-4. [in Chinese])

秦光遠, 曾寅初, 程寶棟. 2016. 中國木制品業增長動因分析——基于非競爭型投入產出模型. 經濟與管理評論, 33(2): 66-75.

(Qing G Y, Zeng Y C, Cheng B D. 2016. The driving forces of China’s wood processing industry’s growth: based on the non-competitive I-O model. Review of Economy and Management, 33(2): 66-75. [in Chinese])

王洪濤, 李 宏. 2016. TiN 硬質薄膜制備技術的研究進展. 粉末冶金工業, 26(1): 60-63.

(Wang H T, Li H. 2016. Research progress in preparation methods of TiN hard films. Powder Metallurgy Industry, 26(1): 60-63. [in Chinese])

魏莎莎, 陸平山, 林榮川. 2014. 氮鋁鈦表面涂層刀具技術在切削加工中的應用. 武漢大學學報： 工學版, 47(5): 703-706,716.

(Wei S S, Lu P S, Lin R C. 2014. Surface coating tools of TiAIN technology application to machining. Engineering Journal of Wuhan University, 47(5): 703-706,716. [in Chinese])

曾 娟, 張占寬. 2007. 潤滑耐磨功能涂料在木工刀具上的應用. 木材加工機械, (2): 48-50.

(Zeng J, Zhang Z K. 2007. Application of wear-resistant and lubricating coating for wood cutting tools. Wood Processing Machinery, (2): 48-50. [in Chinese])

張而耕, 張體波. 2016. 涂層刀具的有限元分析. 遼寧工程技術大學學報： 自然科學版, 35(5): 513-517.

(Zhang E G, Zhang T B. 2016. Finite element analysis of coated tool. Journal of Liaoning Technical University： Natural Science, 35(5): 513-517. [in Chinese])

趙金龍, 鄧建新, 宋文龍. 2007. MoS2軟涂層刀具的基體材料優選及涂層制備. 材料工程, 35(12): 30-34.

(Zhao J L, Deng J X, Song W L. 2007. Optimization of substrate materials and preparation of MoS2coated tools. Journal of Materials Engineering, 35(12): 30-34. [in Chinese])

朱兆龍, 郭曉磊, 趙 飛, 等. 2017. 陶瓷刀具車削木質復合材料的切削性能. 林業工程學報, 2(1): 119-124.

(Zhu Z L, Guo X L, Zhao F,etal. 2017. Cutting performance of ceramic tool in turning wood-based composites. Journal of Forestry Engineering, 2(1): 119-124. [in Chinese])

Faga M G, Settineri L. 2006. Innovative anti-wear coatings on cutting tools for wood machining. Surface and Coatings Technology, 201(6): 3002-3007.

Guo X L, Ekevad M, Gr?nlund A,etal. 2014. Tool wear and machined surface roughness during wood flour/polyethylene composite peripheral up milling using cemented tungsten carbide tools. BioResources, 9(3): 3779-3791.

Osses T, Kies U, Schulte A. 2013. Regional shifts of employment growth in the European wood-based panel and furniture industries. International Forestry Review, 15(1): 82-97.

Pinheiro D, Vieira M T, Djouadi M A. 2009. Advantages of depositing multilayer coatings for cutting wood-based products. Surface and Coatings Technology, 203(20/21): 3197-3205.

(責任編輯 石紅青)

TribologicalPropertiesofCoatedToolMaterialsandWood-BasedMaterials

Guo Xiaolei1He Jilong2Qing Zhenhua3Wei Hong1Cao Pingxiang1
(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NanjingForestryUniversityNanjing210037; 2.LeitzToolingSystems(Nanjing)Co.,Ltd.Nanjing211100; 3.CollegeofMachanicalEngineering,HefeiUniversityofTechnologyHefei230009)

【Objective】 The tribological properties of coating materials and wood-based composites were analyzed, which can provide practical guidance for the research on wear and cutting performance of coated carbide cutting tools.【Method】 The effects of the coated cutting tool and wood-based materials on the tribological properties were investigated by examining how TiN and MoS2coated cemented carbide behavior in sliding when in contact with wood-based composite materials, respectively, and by comparing their behaviors with those of uncoated cemented carbide.【Result】 The results showed that the friction coefficients of MoS2coated cemented carbide with MDF, PB and WFPEC, respectively, were significantly lower than those of uncoated cemented carbide and TiN hard-coated cemented carbide, and that of the TiN coated cemented carbide was the lowest. The friction coefficients of PB with uncoated cemented carbide, TiN and MoS2coated, respectively, were significantly lower than those of MDF and WFPEC, and that of WFPEC was the lowest. In the friction test of uncoated cemented carbide, TiN and MoS2coated cemented carbide with MDF and PB, respectively, the friction coefficients increased with the increase of load. However, in the friction test of WFPEC, the friction coefficients exhibited independent with load. The change rate of the surface roughness for uncoated cemented carbides was the highest before and after the MDF friction test, followed by the MoS2coated cemented carbide, and the smallest change rate of the surface roughness was found in the TiN coated cemented carbide.【Conclusion】 Both TiN and MoS2coating materials could effectively reduce the friction coefficients of tool materials and wood-based composite materials, and the friction coefficient of MoS2coated cemented carbide was lower than that of TiN coated cemented carbide. The wear resistance property of TiN coated cemented carbide was becter than that of MoS2coated cemented carbide.

cemented carbide； TiN hard coating； MoS2soft coating； wood-based materials； friction coefficient

10.11707/j.1001-7488.20171119

2017-02-14;

2017-07-25。

國家自然科學基金項目(31500480)； 江蘇省高校優勢學科建設工程項目(PAPD)。

TS643

A

1001-7488(2017)11-0164-06