切削刀具多层涂层的力学特性和耐磨性
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摘要:利用纳米硬度计研究了硬质合金基体上CVD沉积TiN、TiN/Ti(C, N)/TiC、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种涂层的硬度和断裂韧性,讨论了载荷与压入深度关系曲线上的台阶和载荷与压入深度平方关系曲线上的直线段与涂层的断裂失效和界面失效的关系,指出可用临界载荷pf和pi,来分别描述涂层的断裂失效和界面失效行为.对4种涂层的硬度、断裂韧性、界面失效载荷和耐磨性的研究结果表明,随着涂层层数的增加,其断裂韧性和耐磨性都相应提高。
切削过程中,刀具承受的切削力达2~3GPa,切削温度高达900~1 100 ℃ ,而切削速度通常在每分钟几十米到几百米的数量级范围内,因此在高压、高温和高速下工作的切削刀具的摩擦磨损问题很严重。硬质涂层在改善切削性能和延长刀具寿命方面起重要作用。迄今研究最多的是TiN涂层,它具有高硬度、低摩擦和良好的化学稳定性。与TiN涂层相比,Ti(C, N)涂层具有更好的抗粘着能力和抗热磨损性能。耐磨涂层除了应具有较低的摩擦系数外,还必须有很高的显微硬度、高的韧性以及与基体的附着力。通过引入定数量平行于基体的中间过渡层能提高涂层刀具的韧性和硬度,防止裂纹萌生。对TiN系多层涂层研究表明,它比单一涂层具有更好的摩擦学性能。Su等对多层TiN/Ti(C, N)涂层刀具的抗磨性能和切削性能的研究表明其比单层涂层的性能好。涂层的抗磨损性能和可靠性常常受制于其力学特性。由于膜、界面和基体之间的交互作用,对涂层的力学性能进行评定有定的困难.纳米硬度计的出现使得人们能从微观尺度(纳米级)史深入地了解涂层的力学特性.本文作者利用纳米硬度计对4种涂层的变形、失效和耐磨性进行分析比较。

1 试验方法

  1. 试验装置
    试验装置由瑞士CSEM仪器公司生产,该系统由纳米硬度计(NHT)和原子力显微镜(AFM)2部分组成,并装各了光学显微镜附件。压头和对样品进行选位以及观察压痕的光学显微镜等元件由机电定位系统控制,垂直力向的位移分辨率为µm。通过安装在由导向弹簧支撑的压杆上的电磁线圈产生的电磁力对压杆施加载荷,压头为标准维氏金刚石压头。用电容传感器测量压杆的位移。整个系统的载荷和压入深度分辨率分别为10µN和1nm。在加载和卸载过程中,通过始终与待测样品表面保持接触的蓝宝石环使压头与样品表面实现垂直力向的精确定位。
  2. 试验样品采用CVD技术在硬质合金基体上制备TiN、TiN/Ti(C, N)/TiC、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种耐磨涂层.用99.50%H2、99.99%N2、99.99%CH4、99.50%CO2、化学纯TiCl4和AlCl3等原料,将硬质合金基体经钝化处理、清洗、装炉和升温后,沉积CVD涂层并冷却,即制得待测涂层样品。4种涂层的厚度分别为4.0µm、1.5µm/1.0µm/1.5µm、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。

2 试验结果与讨论

  1. 力学性能

    ( a ) TiN

    ( b ) TiN/Ti(C, N)/TiC

    ( c ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC

    ( d ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC
    图1 载荷p与涂层压入深度h的关系曲线

    ( a ) TiN

    ( b ) TiN/Ti(C, N)/TiC

    ( c ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC

    ( d ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC
    图2 载荷户与压入深度人关系曲线上的台阶
    利用纳米硬度计对4种涂层进行压痕试验,得到在加载与卸载过程中载荷与压入深度的关系曲线(如图1所示)。图1中的E为弹性模量,HV为涂层的维氏硬度值,根据Oliver等的方法确定。该方法除了考虑卸载曲线外,还考虑了压头形状和压入深度来计算受载下的接触面积,硬度被视作卸载过程中材料承受的平均压力。从图1可以看出,多层涂层的承载能力优于单层涂层。Li等利用纳米硬度计分析压入过程中涂层表面发生的各种裂纹过程时发现,接触区的高应力使压头周围出现第一个近似环形的穿透膜层的裂纹;很高的侧压力使得涂层/基体界面在接触区发生剥离和折断;在弯折薄膜的边缘处由于弯曲应力的作用而出现第二个近似环形的穿透膜层的裂纹或裂纹碎片。在第一阶段,如果涂层出现近似环形的穿透膜层的裂纹,相应地在p-h曲线上将会出现1个台阶,反之则不会出现台阶。我们研究了4种涂层的失效特征,结果如图2所示。可见,随着压入载荷的增加,在p-h曲线上出现台阶,显示在涂层中萌生几了呈近似环形的穿透膜层的裂纹。每个台阶对应涂层中的1个近似环形的穿透膜层的裂纹,因此定义图2中台阶处的载荷pf为涂层断裂失效的临界载荷。这样由压入曲线可得到4种涂层的断裂失效临界载荷户分别为11.1mN 、16.4mN 、35.5mN 和56.3mN。可见多层涂层的断裂失效载荷明显高于单层TiN涂层;随涂层层数的增加,其临界载荷psub>f值增大。这是因为多层涂层中的中问层可阻止裂纹的萌生与扩展(中间层阻止裂纹萌生和扩展的能力同其厚度和层数有关)。根据某文献记载,涂层的断裂韧性Ksub>IC可由下式计算:
    (1)
    式中:E和v为涂层的弹性模量和波松比;2pRC为涂层中裂纹的长度;t为涂层厚度;U为裂纹出现前后的应变能变化。p-h曲线上的面积反映了涂层/基体系统的弹塑性变形能,产生第1个近似环形穿透膜层的裂纹时释放的应变能U可根据曲线上的台阶处的而积计算得到。Kazmanli等也描述了p-h曲线上的台阶与裂纹形成的关系。由式(1)计算可以得到4种涂层的断裂韧性分别为1.51MPa·m½、2.18MPa·m½、3.4MPa·m½和3.9MPa·m½。可见随着涂层层数的增加,其断裂韧性值增大。但采用多层涂层,增加了工艺的复杂性和成本,故应选择合适的层数。为此我们推荐采用TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂层。
    p-h曲线描述了涂层断裂失效的情况;而用p-h2曲线可以反映减摩耐磨涂层断裂失效前涂层/基体界而的变化,尤其是多层涂层间的界面变化。对于单体相材料,压入深度中塑性变形分量为hp,弹性变形分量为he,则总压入深度h:为
    (2)
    式中:fy为与压头几何形状有关的参数;p为载荷;HV为硬度;E为弹性模量。将式(2)平方得:
    (3)
    因此可得p=Kh2,K为Loubet 弹塑性参数.对单一体相材料的压入过程,p∝h2。研究涂层/基体系统时,发现其典型的p-h2关系曲线上从原点到拐点的直线段符合p∝h2关系,反映了涂层的弹塑性变形。根据Hertz接触理论分析,发现最大剪应力仍位于被压入的涂层中,而末能使基体产生屈服,因此直线段反映的仅仅是涂层的变形情况.越过拐点后,很高的剪切应力使得基体产生屈服,从而使涂层发生弯折,界面发生变化,在卸载过程中部分界面脱附,在拉应力作用下接触区周围出现材料堆积,直至在台阶处出现裂纹。因此用拐点处载荷pi表示涂层界而变化的临界载荷,p-h2与p-h曲线完整反映了涂层界面变化和断裂失效的整个过程.图3示出了4种涂层的p-h2曲线,图中虚线为符合p∝h2的直线,实线为压入过程中的p-h2曲线,拐点位于实线与虚线的分离点.从图3(a和b)可以看出,从原点到拐点的任线段反映的是涂层本身的变形情况,拐点处载荷值低于台阶处的载荷值.通过SFM观察可发现在相应的台阶载荷下涂层表面出现裂纹。由压入试验数据可知,单层TiN涂层在pi=3.13 mN处发生界面变化,表明单层涂层的界面结合较弱,涂层的韧性也较差.而TiN/Ti(C, N)/TiC涂层则在pi=7.5 mN时发生界面变化。但在图3(c和d)中,从原点到台阶均为直线段(实、虚线重合),说明2种涂层在断裂失效前末发生明显的界面变化。故TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC和TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC多层涂层具有较高的界面强度和较好的韧性。

    ( a ) TiN

    ( b ) TiN/Ti(C, N)/TiC

    ( c ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC

    ( d ) TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC
    图3 载荷户与压入深度平方形关系曲线
  2. 耐磨性
    脆性涂层材料表面在摩擦过程中发生断裂、剥离及破碎,这时涂层的耐磨性主要取决于材料的抗脆断能力。因此,增加材料的强度和断裂韧性可提高其耐磨性。考虑到材料的品质因素(此处不考虑摩擦区的温度及化学磨损等影响,若考虑温度影响时需进行修正),涂层材料的耐磨性WR可表示为:
    WR=KIC0.5E-0.8HV1.43(4)
    式中:WR为耐磨性;KIC为断裂韧性(MPa·m½); E为弹性模量(GPa) ; HV为硬度(GPa)。表1 列出了根据式(4)计算得到的4种涂层的耐磨性。从中可以看出,TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂层耐磨性最好,其结果与切削试验结果相-致。切削试验结果表明,所考察的4种涂层中TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂层刀具的使用寿命最长。
    表1 涂层的力学特性和耐磨性
    涂层pi
    (mN)
    pf
    (mN)
    KIC
    (MPa·m½)
    WR
    TiN3.1311.11.511.08
    TiN/Ti(C,N)/TiC7.5016.42.181.42
    TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC-35.53.401.61
    TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC-56.33.901.84

3 结论

  1. 涂层中裂纹的形成同载荷与压入深度曲线上的台阶有很好的对应关系。
  2. 用载荷与压入深度的平力曲线和载荷与压入深度曲线可完整地描述涂层材料的力学特性。载荷与压入深度曲线上的台阶可用于描述涂层的断裂失效,而载荷与压入深度的平方曲线上的沉线段可用于描述多层涂层的界面变化.涂层的断裂失效和界面变化可用临界载荷pf和pi分别描述。
  3. 多层涂层具有较高的硬度、断裂韧性和耐磨性。随涂层层数的增加,其极限载荷pf和pi值趋于增大。其中TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti (C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂层的力学性能和耐磨性最好。
本文作者:清华大学摩擦学国家重点实验室 丁建宁 温诗铸 孟永钢
原载:《摩擦学学报》2000年第3期
上载于:2007-7-18 8:57:38

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