涂層刀具摩擦磨損特性的研究進展*

顏 培 鄧建新 李士鵬 趙 軍 陳 揚 邢佑強

（山東大學機械工程學院，山東濟南 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，使刀具結合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優點［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，加工范圍顯著擴大，使用涂層刀具可以獲得明顯的經濟效益。涂層刀具已經成為現代刀具的標志，也是刀具技術發展的重要方向［3］，其在刀具中的使用比例已超過50%。

1 PVD涂層摩擦學研究現狀

涂層的摩擦學研究主要依靠摩擦磨損實驗的評價，往往與實際工況的涂層損傷機理存在一定的區別，但實際工況的磨損試驗由于各種局限無法經常進行。傳統的摩擦學實驗研究只局限于獲取摩擦系數和某一摩擦條件下的磨損量，對涂層的微觀損傷和摩擦化學作用機理的研究不夠重視。涂層的實驗室摩擦學性能評價主要有兩種趨勢:一種是沿襲傳統的摩擦試驗并加強微觀分析，專注涂層材料的基本摩擦學特性;另一種是盡可能模擬實際工況，爭取實驗過程的涂層損傷及其機理與實際工況一致。

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;后刀面在磨損過程中出現了負倒棱和后刀面月牙洼;涂層的硬隔膜作用時間是短暫的。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。

在疲勞壽命相當的情況下，CrN具有比TiN涂層更好的耐磨性能［5］。趙晚成等研究了應用于活塞環的CrN涂層的摩擦學性能［6］，結果表明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。摩擦反應膜的形成和擴展，是摩擦系數和磨損率降低的主要原因。Rodriguez［7］等在20% ～70%相對濕度下，將100Cr6軸承鋼和WC陶瓷球配副，對CrN涂層進行銷盤試驗，結果表明，隨著相對濕度增加，涂層摩擦系數降低，表現出較好的抗粘結磨損性能。

劉建華采用環塊摩擦磨損試驗系統研究了載荷、速度、摩擦距離等因素對ZrN涂層刀具的摩擦磨損特性的影響［8］。結果表明，ZrN涂層刀具材料的摩擦系數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隨摩擦距離的增加呈現上升趨勢;ZrN涂層刀具材料的摩擦系數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隨摩擦距離的變化規律。

1．1．2 三元氮化物涂層

Scheerer對不同成分的CrAlN涂層進行往復滑動摩擦磨損試驗及干切削試驗［9］，結果表明，Cr、Al元素含量在15 at%（原子百分數）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800℃后，Cr和Fe無限固溶，會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。

娘親雖然對她嬌慣，但這個時候，她一點也不愿意觸母親的霉頭。她在心里發誓，一定要找個機會，好好教訓一下青辰那小子，來給娘親出這口氣。

K Bobzin等采用Al2O3和Si3N4陶瓷球作為對摩材料，在球－盤試驗模式下對磁控濺射制備的不同Al含量的 Cr1－xAlxN 涂層摩擦學性能進行研究［10］。Cr0．77Al0．23N涂層與Si3N4陶瓷球的摩擦系數最高，但其磨損率卻最低。CrAlN涂層的主要磨損機理為粘著磨損;而CrN涂層為磨粒磨損、氧化磨損及粘著磨損共同作用的結果;Cr0．77Al0．23N涂層磨損機理與CrN磨損機理相似，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，刀具后刀面磨損量隨切削速度變化的對比圖。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，導致刀具失效無法進行切削。

圖4為不同厚度的TiAlN涂層銑刀斷續銑削合金結構鋼42CrMo4V時后刀面磨損隨切削次數的變化情況［13］。研究結果表明，在一定范圍內，涂層厚度越大，刀具的抗后刀面磨損能力越強。當具有一定的界面結合強度時，涂層刀具涂層厚度對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合成技術制備TiC－Ni涂層［14］，對所制備的涂層進行滑動磨損試驗并分析涂層磨損失效形式。結果表明，涂層滑動磨損失效主要有粘結相的優先犁削和碳化物剝落。失效過程中碳化物顆粒的剝落對涂層磨損起關鍵作用，涂層中的粘結相、氧化物和孔隙對裂紋的擴展有很大的影響。

朱琳等［15］研究結果表明TiCN涂層具有優良的耐磨性能，其失效形式主要是由于粘著磨損造成的，伴隨TiCN硬質顆粒的磨削與高溫氧化失效，磨損失效區域中Fe、Cr、O元素含量較高，由表面逐漸向涂層內部侵蝕。TiCN、TiN涂層和M2鋼分別與淬火GCr15鋼對摩后，摩擦磨損關系曲線如圖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涂層的滑動磨損特性，結果表明干摩擦時存在最大磨損載荷和最大以及最小磨損速度，而且在較高滑動速度下潤滑劑的加入會大大增加其磨損率。

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

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

1．2 “軟”涂層刀具的摩擦磨損研究

Renevier等研究了MoS2自潤滑涂層在切削過程中的磨損特性［19］。圖7為 MoS2/Ti、MoS2軟涂層刀具和未涂層刀具銑削34CrNiMo6工件時，每個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硬質合金刀具加工302不銹鋼時刀具后刀面磨損量的對比，可見WC/Co/MoS2軟涂層刀具比WC/Co硬質合金耐磨損。

1．3 多層涂層的摩擦磨損研究

上世紀70年代中期引入的TiC/TiCN/TiN三層涂層是第一個應用于硬質合金刀片的多層涂層，此后多層涂層的研究成為摩擦學表面工程的一項重要研究內容。

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］，認為多層涂層的磨損呈現一種“多層磨損機制”，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分別從宏觀力學機制、微觀力學機制、摩擦化學機制及材料轉移方面建立一個系統的涂層摩擦機理研究方法［21］。宏觀力學下的摩擦和磨損行為主要決定于接觸過程中的應力及應變分布和由其導致的彈塑性變形、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。

對于同一個接觸面，要獲得低的摩擦系數，涂層應有低的剪切強度;要獲得低的磨損率，需要有較大的硬度、較高的剪切強度。Matthews等認為可通過在硬質涂層上加一層特別薄的低剪切強度的軟質膜來組合實現，同時該軟質涂層還具有包容硬質磨粒的能力，硬質膜則提供一定的承載能力。在微觀力學上應當考慮裂紋的產生及擴展、磨屑的產生以及從微米和納米尺寸上研究相關的摩擦現象。多層膜的引入增加了單位厚度內的界面含量，可有效阻止裂紋的生成及擴展。

1．4 涂層在摩擦中的磨損破損機制

涂層在摩擦磨損中的磨損破損機制一般分3種［22］:（1）無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，涂層的韌性或斷裂韌性是耐表面裂紋的重要性能參數。（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內的涂層性能有關。一旦涂層被磨掉，則基體承擔起耐磨的作用。一般來講，在摩擦學應用領域特別需要涂層與基體間的牢固結合。（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親和力有關［23］。

2 結語

在現代涂層制備過程中，涂層材料由單一的TiC、TiN發展到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、有序化結構、納米晶和多組分涂層等結構，涂層材料和結構不斷強化。各種涂層的摩擦磨損機理也隨著涂層制備技術的發展及實際應用的擴大而不斷進步，并將進一步深入和完善，以滿足不同領域對于表面涂層越來越苛刻的要求。

［1］Jaroslav Menˇcík．Mechanics of components with treated or coated surfaces［M］．Holland:Kluwer Academic Publishers，1996．

［2］艾興．高速切削加工技術［M］．北京:國防工業出版社，2003．

［3］KLOCKE F，KRIEG T．Coated too1s for metal cutting features and applications［J］．Annals of the CIRP，1999 ，48（2）:515 －525．

［4］王核源，王敬華．TiN涂層高速鋼刀具的磨損特性及磨損規律［J］．工具技術，1999，33（4）:10 －12．

［5］HEDENQVIST P，JACOBSON S，LARSSON M．Design and evaluation of tribological catings［J］．Wear，2000，246（1 －2）:20 －33．

［6］趙晚成，馬亞軍，李生華，等．CrN活塞環涂層的摩擦學性能［J］．潤滑與密封，2005，168（2）:59－66．

［7］RODRIGUEZ R J，GARCIA J A，et al．Tribological behaviour of hard coatings deposited by arc－evaporation PVD［J］．Vacuum，2002，67:559－566．

［8］劉建華．ZrN涂層刀具的設計開發及其切削性能研究［D］．濟南:山東大學，2007．

［9］SCHEERER H，HOCHE H，et al．Effects of the chromium to aluminum content on the tribology in dry machining using（Cr，Al）N coated tools［J］．Surface and Coatings Technology，2005，200:203 －207．

［10］Bobzin K，Lugscheider E，et al．Wear behavior of Cr1 － xAlxN PVD －coatings in dry running conditions［J］．Wear，2007，263:1274 －1280．

［11］BOUZAKIS K D，HADJIYIANNIS S，SKORDARIS G．The effect of thickness，mechanical strength and hardness properties on the milling performance of PVD coated cemented carbides inserts［J］．Surface and Coatings Technology，2004，177 －178:657 －664．

［12］BOUZAKIS K D，MICHAILIDIS N，VIDAKIS N．Failure mechanisms of physically vapour deposited coated hardmetal cutting inserts in turning［J］．Wear，2001，248（1/2）:29 －37．

［13］BOUZAKIS K D，HADJIYIANNIS S，SKORDARIS G．The influence of the coating thickness on its strength properties and on the milling performance of PVD coated inserts［J］．Surface and Coatings Technology，2003，174/175:393－401．

［14］姚海玉，王引真，王海芳，等．超音速火焰噴涂合成TiC－Ni涂層摩擦磨損性能分析［J］．兵器材料科學與工程，2006，29（2）:42 －45．

［15］朱琳，何繼寧，閻殿然，等．等離子噴涂合成TiCN厚涂層及其摩擦磨損特性［J］．科學通報，2007，52（8）:972 －977．

［16］FEMANDEZ J E，WANG Yinglong，VIGANDE R．Sliding wear of a plasma － aprayed － Al2O3 coating［J］．Wear，1996，82:218 －225．

［17］YANG Y Y，JIN Y S，LUO S Y．SAM Study on plasm sprayed ceramic coatings［J］．Surface and Coatings Technology，1997，91（1/2）:95 －100．

［18］TAO，S，YIN Z，et al．Sliding wear characteristics of plasma－sprayed Al2O3 and Cr2O3 coatings against copper alloy under severe conditions［J］．Tribology International，2010，43（1/2）:69 －75．

［19］RENEVIER N M．Advantages of using sekf－ lubricating，hard，wear－ resistance MoS2 － based coatings［J］．Surface Coatings Technology，2001，142 －144（7）:67 －77．

［20］RENJI Z，et al．Studies on multilayer wear of CVD TiC －TiN multilayered composite coating［J］．Wear，1991，147:227 － 251．

［21］Kenneth Holmberg and Allan Matthews．Coatings tribology:Properties，techniques and applications in surface engineering:Kenneth Holmberg and Allan Matthews Tribology series，vol 28．Elsevier Science，Amsterdam，1994．ISBN 0－444－88870－5，442 pp．

［22］龐國星．應用于摩擦學領域的涂層研究現狀與展望［J］．材料保護，2006，39（5）:46 －48．

［23］HOGMARK S，JACOBSON S．Friction lubrication and wear technology［K］．ASM Handbook，1992．