利用微米劃痕研究TiN涂層的失效機理

劉 明, 李 爍, 高誠輝

(福州大學 機械工程及自動化學院, 福建 福州 350116)

1 引 言

TiN涂層具有高硬度、低摩擦系數、優良的抗氧化性和耐磨性而廣泛應用于切削和成形工具[1,2]。涂層與基體的界面結合性能和刀具磨損狀態是決定涂層可靠性與使用壽命的關鍵因素。因此,需要對刀具的磨損狀態進行檢測[3,4],并選擇合適的方法(如壓痕實驗[5～10],劃痕實驗[11～14]等)研究涂層的失效機理和磨損性能。

Hainsworth等[11]采用微米劃痕研究了不同基體下的TiN涂層,發現摩擦系數會隨著載荷的增加而穩定地增加。不僅載荷與摩擦系數有關,表面粗糙度也是重要的影響因素。Larsson等[12]通過劃痕試驗研究了高速鋼上TiN涂層的失效機理,發現摩擦系數的大小會受到涂層表面粗糙度的影響。Kataria等[13]則從不同的劃痕模式入手,對摩擦系數進行了研究,結果發現:在不同的劃痕模式下,摩擦系數的變化趨勢不同,且摩擦系數的大小與劃痕往復磨損次數有關。為了進一步分析影響摩擦系數的因素,Wang等[14]進行了較為系統的研究,發現:TiN涂層的內在因素(顯微結構、硬度和厚度等)和測試因素(載荷、潤滑和溫度等)均會影響摩擦系數的大小和變化趨勢。雖然對摩擦系數的研究較為深入,但是劃痕過程中摩擦系數的波動機理尚不清楚,需要相關分析和深入探討。

本文采用微米劃痕實驗方法對TiN涂層的失效機理進行研究,分析了TiN涂層的失效過程,闡明了表面形貌與涂層失效對摩擦系數波動影響的機理,并評估了TiN涂層的斷裂韌性。……