切削過(guò)程中，刀具承受的切削力達(dá)2～3GPa，切削溫度高達(dá)900～1 100℃显憾，而切削速度通常在每分鐘幾十米到幾百米的數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，因此在高壓唠魏、高溫和高速下工作的切削刀具的摩擦磨損問(wèn)題很嚴(yán)重蝉站。硬質(zhì)涂層在改善切削性能和延長(zhǎng)刀具壽命方面起重要作用。迄今研究最多的是TiN涂層例吹，它具有高硬度捧颅、低摩擦和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。與TiN涂層相比较雕，Ti(C, N)涂層具有更好的抗粘著能力和抗熱磨損性能碉哑。耐磨涂層除了應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)外，還必須有很高的顯微硬度亮蒋、高的韌性以及與基體的附著力扣典。通過(guò)引入定數(shù)量平行于基體的中間過(guò)渡層能提高涂層刀具的韌性和硬度，防止裂紋萌生。對(duì)TiN系多層涂層研究表明贮尖，它比單一涂層具有更好的摩擦學(xué)性能笛粘。Su等對(duì)多層TiN/Ti(C, N)涂層刀具的抗磨性能和切削性能的研究表明其比單層涂層的性能好。涂層的抗磨損性能和可靠性常常受制于其力學(xué)特性湿硝。由于膜薪前、界面和基體之間的交互作用，對(duì)涂層的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)定有定的困難.納米硬度計(jì)的出現(xiàn)使得人們能從微觀尺度(納米級(jí))史深入地了解涂層的力學(xué)特性.本文作者利用納米硬度計(jì)對(duì)4種涂層的變形关斜、失效和耐磨性進(jìn)行分析比較示括。

　　1試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)裝置由瑞士CSEM儀器公司生產(chǎn)，該系統(tǒng)由納米硬度計(jì)(NHT)和原子力顯微鏡(AFM)2部分組成痢畜，并裝各了光學(xué)顯微鏡附件叛始。壓頭和對(duì)樣品進(jìn)行選位以及觀察壓痕的光學(xué)顯微鏡等元件由機(jī)電定位系統(tǒng)控制，垂直力向的位移分辨率為μm轴及。通過(guò)安裝在由導(dǎo)向彈簧支撐的壓桿上的電磁線圈產(chǎn)生的電磁力對(duì)壓桿施加載荷绣坛，壓頭為標(biāo)準(zhǔn)維氏金剛石壓頭。用電容傳感器測(cè)量壓桿的位移票虎。整個(gè)系統(tǒng)的載荷和壓入深度分辨率分別為10μN(yùn)和1nm仆阶。在加載和卸載過(guò)程中筝踢，通過(guò)始終與待測(cè)樣品表面保持接觸的藍(lán)寶石環(huán)使壓頭與樣品表面實(shí)現(xiàn)垂直力向的精確定位摔色。

　　試驗(yàn)樣品采用CVD技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上制備TiN、TiN/Ti(C, N)/TiC彰碑、TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC和TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC等4種耐磨涂層.用99.50%H2数辱、99.99%N2、99.99%CH4详般、99.50%CO2初藐、化學(xué)純TiCl4和AlCl3等原料，將硬質(zhì)合金基體經(jīng)鈍化處理玷利、清洗乍恐、裝爐和升溫后，沉積CVD涂層并冷卻测砂，即制得待測(cè)涂層樣品茵烈。4種涂層的厚度分別為4.0μm、1.5μm/1.0μm/1.5μm砌些、1.5μm/1.0μm/1.5μm/1.0μm/1.5μm和1.5μm/1.0μm/1.0μm/1.0μm/1.5μm/1.0μm/1.5μm呜投。

　　2試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　力學(xué)性能

　　利用納米硬度計(jì)對(duì)4種涂層進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，得到在加載與卸載過(guò)程中載荷與壓入深度的關(guān)系曲線存璃。E為彈性模量仑荐，HV為涂層的維氏硬度值，根據(jù)Oliver等的方法確定。該方法除了考慮卸載曲線外粘招，還考慮了壓頭形狀和壓入深度來(lái)計(jì)算受載下的接觸面積啥寇，硬度被視作卸載過(guò)程中材料承受的平均壓力。多層涂層的承載能力優(yōu)于單層涂層洒扎。Li等利用納米硬度計(jì)分析壓入過(guò)程中涂層表面發(fā)生的各種裂紋過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)示姿，接觸區(qū)的高應(yīng)力使壓頭周圍出現(xiàn)第一個(gè)近似環(huán)形的穿透膜層的裂紋；很高的側(cè)壓力使得涂層/基體界面在接觸區(qū)發(fā)生剝離和折斷揭凭；在彎折薄膜的邊緣處由于彎曲應(yīng)力的作用而出現(xiàn)第二個(gè)近似環(huán)形的穿透膜層的裂紋或裂紋碎片源快。在第一階段，如果涂層出現(xiàn)近似環(huán)形的穿透膜層的裂紋俯重，相應(yīng)地在p-h曲線上將會(huì)出現(xiàn)1個(gè)臺(tái)階炫瘤，反之則不會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階。我們研究了4種涂層的失效特征夕锹〖吓洌可見(jiàn)，隨著壓入載荷的增加檬桅，在p-h曲線上出現(xiàn)臺(tái)階物少，顯示在涂層中萌生幾了呈近似環(huán)形的穿透膜層的裂紋。每個(gè)臺(tái)階對(duì)應(yīng)涂層中的1個(gè)近似環(huán)形的穿透膜層的裂紋芹寓，因此定義臺(tái)階處的載荷pf為涂層斷裂失效的臨界載荷东著。這樣由壓入曲線可得到4種涂層的斷裂失效臨界載荷戶分別為11.1mN、16.4mN妓唬、35.5mN和56.3mN铲瞎。可見(jiàn)多層涂層的斷裂失效載荷明顯高于單層TiN涂層苫昌；隨涂層層數(shù)的增加颤绕，其臨界載荷psub>f值增大。這是因?yàn)槎鄬油繉又械闹袉?wèn)層可阻止裂紋的萌生與擴(kuò)展(中間層阻止裂紋萌生和擴(kuò)展的能力同其厚度和層數(shù)有關(guān))祟身。根據(jù)某文獻(xiàn)記載奥务，涂層的斷裂韌性Ksub>IC可由下式計(jì)算：

　　E和v為涂層的彈性模量和波松比；2pRC為涂層中裂紋的長(zhǎng)度袜硫；t為涂層厚度氯葬；U為裂紋出現(xiàn)前后的應(yīng)變能變化。p-h曲線上的面積反映了涂層/基體系統(tǒng)的彈塑性變形能父款，產(chǎn)生第1個(gè)近似環(huán)形穿透膜層的裂紋時(shí)釋放的應(yīng)變能U可根據(jù)曲線上的臺(tái)階處的而積計(jì)算得到溢谤。Kazmanli等也描述了p-h曲線上的臺(tái)階與裂紋形成的關(guān)系。由式(1)計(jì)算可以得到4種涂層的斷裂韌性分別為1.51MPa?m?憨攒、2.18MPa?m?世杀、3.4MPa?m?和3.9MPa?m?阀参。可見(jiàn)隨著涂層層數(shù)的增加瞻坝，其斷裂韌性值增大蛛壳。但采用多層涂層，增加了工藝的復(fù)雜性和成本牢簸，故應(yīng)選擇合適的層數(shù)骨矗。為此我們推薦采用TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂層。

　　p-h曲線描述了涂層斷裂失效的情況渺类；而用p-h2曲線可以反映減摩耐磨涂層斷裂失效前涂層/基體界而的變化烛储，尤其是多層涂層間的界面變化。對(duì)于單體相材料累换，壓入深度中塑性變形分量為hp棺玫，彈性變形分量為he，則總壓入深度h：

　　f和y為與壓頭幾何形狀有關(guān)的參數(shù)待插；p為載荷竭撇；HV為硬度；E為彈性模量捷妥。

　　因此可得p=Kh2你义，K為L(zhǎng)oubet彈塑性參數(shù).對(duì)單一體相材料的壓入過(guò)程，p∝h2摩潮。研究涂層/基體系統(tǒng)時(shí)况既，發(fā)現(xiàn)其典型的p-h2關(guān)系曲線上從原點(diǎn)到拐點(diǎn)的直線段符合p∝h2關(guān)系，反映了涂層的彈塑性變形闸婴。根據(jù)Hertz接觸理論分析坏挠，發(fā)現(xiàn)最大剪應(yīng)力仍位于被壓入的涂層中芍躏，而末能使基體產(chǎn)生屈服邪乍，因此直線段反映的僅僅是涂層的變形情況.越過(guò)拐點(diǎn)后，很高的剪切應(yīng)力使得基體產(chǎn)生屈服对竣，從而使涂層發(fā)生彎折庇楞，界面發(fā)生變化，在卸載過(guò)程中部分界面脫附否纬，在拉應(yīng)力作用下接觸區(qū)周圍出現(xiàn)材料堆積吕晌，直至在臺(tái)階處出現(xiàn)裂紋。因此用拐點(diǎn)處載荷pi表示涂層界而變化的臨界載荷临燃，p-h2與p-h曲線完整反映了涂層界面變化和斷裂失效的整個(gè)過(guò)程.4種涂層的p-h2曲線睛驳，虛線為符合p∝h2的直線，實(shí)線為壓入過(guò)程中的p-h2曲線膜廊，拐點(diǎn)位于實(shí)線與虛線的分離點(diǎn).從原點(diǎn)到拐點(diǎn)的任線段反映的是涂層本身的變形情況乏沸，拐點(diǎn)處載荷值低于臺(tái)階處的載荷值.通過(guò)SFM觀察可發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)的臺(tái)階載荷下涂層表面出現(xiàn)裂紋淫茵。由壓入試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，單層TiN涂層在pi=3.13 mN處發(fā)生界面變化牲耐，表明單層涂層的界面結(jié)合較弱师莫，涂層的韌性也較差.而TiN/Ti(C, N)/TiC涂層則在pi=7.5 mN時(shí)發(fā)生界面變化。從原點(diǎn)到臺(tái)階均為直線段(實(shí)琐惩、虛線重合)狮消，說(shuō)明2種涂層在斷裂失效前末發(fā)生明顯的界面變化。故TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC和TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC多層涂層具有較高的界面強(qiáng)度和較好的韌性目溶。

　　耐磨性

　　脆性涂層材料表面在摩擦過(guò)程中發(fā)生斷裂搪古、剝離及破碎，這時(shí)涂層的耐磨性主要取決于材料的抗脆斷能力咕隶。因此长尼，增加材料的強(qiáng)度和斷裂韌性可提高其耐磨性∧砍荆考慮到材料的品質(zhì)因素(此處不考慮摩擦區(qū)的溫度及化學(xué)磨損等影響瞻替，若考慮溫度影響時(shí)需進(jìn)行修正)，涂層材料的耐磨性WR可表示為：

　　WR=KIC0.5E-0.8HV1.43 (4)

　　式中：WR為耐磨性诺秒；KIC為斷裂韌性(MPa?m?); E為彈性模量(GPa) ; HV為硬度(GPa)遥倦。下表列出了根據(jù)式(4)計(jì)算得到的4種涂層的耐磨性。從中可以看出占锯，TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂層耐磨性最好袒哥，其結(jié)果與切削試驗(yàn)結(jié)果相-致。切削試驗(yàn)結(jié)果表明消略，所考察的4種涂層中TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂層刀具的使用壽命最長(zhǎng)堡称。

　　表1涂層的力學(xué)特性和耐磨性

　　涂層 pi(mN) pf(mN) KIC(MPa?m?) WR

　　TiN 3.13 11.1 1.51 1.08

　　TiN/Ti(C,N)/TiC 7.5 16.4 2.18 1.42

　　TiN/Ti(C,N)/TiC/Ti(C,N)/TiC - 35.5 3.4 1.61

　　TiN/Ti(C,N)/TiC/Ti(C,N)/TiC/Ti(C,N)/TiC - 56.3 3.9 1.84

　　3結(jié)論

　　涂層中裂紋的形成同載荷與壓入深度曲線上的臺(tái)階有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　用載荷與壓入深度的平力曲線和載荷與壓入深度曲線可完整地描述涂層材料的力學(xué)特性艺演。載荷與壓入深度曲線上的臺(tái)階可用于描述涂層的斷裂失效却紧，而載荷與壓入深度的平方曲線上的沉線段可用于描述多層涂層的界面變化.涂層的斷裂失效和界面變化可用臨界載荷pf和pi分別描述。

　　多層涂層具有較高的硬度胎撤、斷裂韌性和耐磨性晓殊。隨涂層層數(shù)的增加，其極限載荷pf和pi值趨于增大伤提。其中TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti (C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂層的力學(xué)性能和耐磨性最好巫俺。

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