電弧離子鍍TiAlN、AlTiN和AlTiN-TiSiN涂層的高溫摩擦磨損行為研究.pdf

1、硬質(zhì)涂層作為改善刀具性能的有效手段在材料加工領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)異的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性可以極大延長刀具的使用壽命。涂層刀具在切削加工過程中，刀具與被加工材料之間劇烈的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致刀具磨損失效。因而對刀具涂層高溫摩擦學(xué)性能的研究顯得尤為重要。
　　PVD Ti-Al-(X)-N系列涂層因其優(yōu)良的高溫抗氧化性能及力學(xué)性能目前已經(jīng)商業(yè)化使用。一般而已，涂層的性能取決于涂層的結(jié)構(gòu)和成分。涂層中Ti/Al的比值以及是否加入

2、其它元素(如Si)對涂層的硬度，熱穩(wěn)定性，抗高溫氧化性以及高溫摩擦學(xué)性能有很大的影響。如AlTiN涂層相比TiAlN涂層中的Al含量更高，在保持晶體結(jié)構(gòu)不變的情況下，Al含量的增加可以進一步提高TiAlN涂層的抗氧化性能和高溫下的力學(xué)性能，使得AlTiN涂層更適合目前機加工要求。而一定含量的Si元素加入到TiN涂層中通過熱力學(xué)調(diào)幅分解，可以形成非晶原子層包覆納米晶氮化物的納米復(fù)合涂層(nc-TiN/a-Si3N4)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的涂層不

3、僅因為Si元素的加入可以細化晶粒提高硬度而且涂層高溫穩(wěn)定性也非常突出。其次，通過多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，也可以大幅提高涂層的性能。
　　本文針對刀具市場上常用的Ti-Al-N系列涂層。首先利用PVD電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼上制備了TiAlN涂層和AlTiN/TiSiN多層納米復(fù)合涂層(以下簡稱為s-AlTiN/TiSiN)，在常溫、400℃和600℃進行摩擦磨損實驗，探討TiAlN、s-AlTiN/TiSiN涂層不同溫度下的磨損行為及磨損機理

4、;其次由于高速鋼基體硬度相對較低(58～62 HRC)，為了進行更高溫度的摩擦實驗，采用硬質(zhì)合金作為基體，制備高Al的AlTiN涂層和AlTiN/TiSiN多層涂層(以下簡稱為c-AlTiN/TiSiN)，在400℃、600℃和800℃進行高溫摩擦實驗，比較AlTiN、c-AlTiN/TiSiN涂層不同溫度下的磨損行為及磨損機理;最后為了研究高溫下線速度和載荷對涂層磨損性能的影響，選取c-AlTiN/TiSiN涂層在800℃下按照不同的

5、線速度(30cm/s、40cm/s和50cm/s)和載荷(5N、8N和10N)進行摩擦實驗。圍繞高溫摩擦學(xué)，論文重點研究了涂層不同溫度下的摩擦磨損行為。另外涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等基本特性采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)以及納米硬度計等表征手段進行分析表征。
　　主要研究結(jié)果如下:
　　(1)在比較TiAlN涂層和s-AlTiN/TiSiN涂層在不同溫度下的摩擦行為中，TiAlN涂層在常

6、溫、400℃和600℃經(jīng)過10000圈摩擦后均磨穿，s-AlTiN/TiSiN涂層在600℃下摩擦完后才磨穿失效，說明s-AlTiN/TiSiN涂層的高溫摩擦磨損性能相比TiAlN涂層要好。摩擦系數(shù)方面，兩種涂層在600℃摩擦穩(wěn)定后的摩擦系數(shù)最低，其次是在400℃，常溫下的摩擦系數(shù)最高。磨損機制方面，常溫下TiAlN涂層磨損失效形式主要是摩擦副之間的粘著磨損，400℃和600℃下為粘著磨損和氧化磨損。s-AlTiN/TiSiN涂層常溫下

7、主要磨損形式為磨粒磨損、粘著磨損以及塑性變形導(dǎo)致的魚鱗狀裂紋，400℃下主要為粘著磨損和氧化磨損，600℃下氧化磨損的加大以及伴隨磨粒磨損和粘著磨損的綜合影響使得s-AlTiN/TiSiN涂層最終磨損失效。
　　(2)在比較AlTiN涂層和c-AlTiN/TiSiN涂層在400℃、600℃和800℃下的高溫摩擦行為中，兩種涂層都沒有磨穿。摩擦系數(shù)方面同高速鋼基體趨勢一致，800℃下兩種涂層摩擦系數(shù)最低，600℃其次，400℃下最高

8、。磨損機制方面，AlTiN涂層400℃下磨損形式主要為粘著磨損，600℃和800℃下主要為粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。400℃、600℃和800℃下氧化磨損和粘著磨損均存在于c-AlTiN/TiSiN涂層摩擦過程中，600℃下涂層還有輕微的塑性變形。
　　(3)在高溫下線速度和載荷對c-AlTiN/TiSiN涂層磨損性能的影響研究中，發(fā)現(xiàn)800℃下，線速度(30cm/s、40cm/s和50cm/s)和載荷(5N、8N和10N)對