TiN、Ti0.56 Al0.44 N 和Al0.65 Ti0.35 N 涂层刀具的摩擦特性对比研究*

刘爱华

(山东交通学院机械制造系，山东 济南250023)

表面涂层作为一种改善材料性能的有效手段，在当前的科学研究和工程应用中扮演着日益重要的角色。Ti 基氮化物涂层中研究最早的是TiN 涂层，其具有高强度、高硬度及较高的抗氧化性等特点，因而广泛应用于金属切削刀具。但随着先进制造技术的发展，对切削刀具的要求也越来越高，单一的TiN 涂层不能够满足生产需要。研究发现，在TiN 涂层基础上加入Al 元素形成的TiAlN 涂层具有很好的合金化特性，硬度、摩擦和氧化等各项性能均得到了明显提高［1-4］。其中，当Al 含量较高时称为AlTiN 涂层。

刀具在切削过程中的磨损一直是工程技术人员关注的重点，关于TiN、TiAlN 和AlTiN 涂层的摩擦学的研究很多，表1 中列出了其中有代表性的部分。可以看出，目前涂层的摩擦学研究所使用的实验参数比较单一，特别是实验速度与涂层的使用条件相差较大，并且缺少TiN、TiAlN 和AlTiN 涂层之间系统的对比研究。本文针对TiN、TiAlN 和AlTiN 这3 种涂层，在不同速度和载荷下考察涂层的摩擦特性并进行系统的对比研究，揭示3 种涂层在不同使用工况下的磨损情况，为3 种涂层的使用提供实验依据。

表1 涂层摩擦学研究

1 摩擦实验

在本研究中选用球-盘接触方式所提供的点接触形式进行摩擦试验，所产生的高应力以求接近涂层实际的使用工况。其中TiN、TiAlN 和AlTiN 涂在YG6(WC+ 6 wt% Co)基体盘的表面，对磨球采用纯SiC 制成。

摩擦试验在CETR UMT-2 摩擦磨损试验机上进行，速度为20～120 m/min，载荷为5 ～15 N，根据摩擦实验的结果，对3 种涂层的摩擦特性进行对比。

2 TiN、Ti0.56 Al0.44 N 和Al0.65 Ti0.35 N 涂层的摩擦特性

2.1 摩擦系数

图1 分别给出了TiN、TiAlN 和AlTiN 这3 种涂层在载荷10 N 的实验条件下摩擦系数随速度的变化情况。由图1 看出，3 种涂层在摩擦过程中都存在明显的跑合阶段和稳定阶段。跑和阶段的摩擦系数明显增大，这是由于摩擦副刚开始接触，二者表面的微凸体强烈摩擦造成的。随着磨损的进行，三种涂层同时在摩擦次数约为2 000 次时达到稳态，此时的摩擦达到动态平衡，磨屑的产生与排出基本保持平衡，摩擦系数大体平稳。比较3 种涂层的摩擦系数曲线发现，随速度的增加，摩擦系数大体呈减小趋势，在120 m/min 时达到最小，说明高速下的摩擦阻力较小，摩擦表面之间较为光滑。另外，与TiN 和AlTiN 涂层相比，TiAlN 涂层在各速度下的波动较小，说明TiAlN 涂层的摩擦状态平稳，而TiN 和AlTiN 涂层在摩擦过程中产生的较多磨屑来不及排出或者是摩擦过程中的不稳定因素造成了摩擦动荡。图1d 比较了3 种涂层在稳定摩擦状态各速度下的平均摩擦系数。发现:TiN 与TiAlN 涂层在各温度下的摩擦系数相当，均小于AlTiN 涂层。

图2 给出了涂层摩擦系数随载荷的变化曲线。对于TiN 涂层，摩擦系数随载荷的增加呈现明显的减小趋势，这可能是由于随法向载荷的增加，磨屑能够被压实，所形成的“第三体”有益于摩擦的进行。TiAlN 和AlTiN 涂层摩擦系数随载荷变化的规律不明显。3 种涂层的共同点在于随载荷的增加，进入稳定摩擦状态摩擦时间缩短，这是由于随接触表面应力的增大，加速了磨屑的形成，使得摩擦较快地进入了稳定状态。通过比较3 种涂层在各载荷下稳态平均摩擦系数发现，AlTiN 仍具有最大的摩擦系数，揭示了此涂层在本实验环境下与SiC 对磨时较差的摩擦特性。

2.2 磨损表面及磨痕轮廓

图3 给出了TiN 与TiAlN 两种涂层经不同的速度摩擦后由白光干涉仪获得的二维轮廓曲线，并进行了不同速度之间的对比。TiN 涂层的磨痕深度随速度的变化呈现明显的阶梯变化的趋势，且随速度的增加其磨痕深度减小;经低速(20 m/min 和40 m/min)摩擦后的磨痕底部出现了明显的粗糙犁沟，说明低速下对磨球对涂层起到切削作用，而在高速下磨痕相对光滑，摩擦过程可以看成是以抛光为主导。

TiAlN 涂层的磨痕深度随速度的变化产生了突变，高速下的磨损比低速下的磨损明显减小，TiAlN 涂层在高速下更能显示出其优良性能;与TiN 涂层相反，TiAlN 涂层在低速下以抛光型的摩擦为主导，产生了光滑的磨痕，而在高速下存在明显的犁沟。

由图4 可以看出，随载荷的增加，TiN 涂层磨痕的宽度和深度均增加，磨损加剧，表明涂层的承载能力较差。而TiAlN 涂层在低载(5 N)时的磨痕深度最大，而在高载时磨损量反而减小，说明其承载能力较好，适用于较高载荷的工作环境;值得指出的是，TiAlN 涂层在高载下的磨痕存在部分高于未被摩擦表面的现象，这是由于磨屑粘着或者是涂层严重变形引起的。

实验结束后，对AlTiN 涂层摩损后的磨痕进行检测发现，在上述的任何实验条件下涂层均已磨穿，基体外漏。说明在相同的实验条件下3 种涂层中AlTiN 涂层的耐磨性较差。因为涂层磨穿后磨痕的深度受基体的影响，因此对各试验条件下的磨痕进行对比意义不大。为了能够更好地研究AlTiN 涂层的摩擦特性，减少摩擦次数进行重复试验。其中，在速度为120 m/min、压力为10 N 的条件下，发现当摩擦次数为5 000 次时，涂层处于临界磨穿的状态，图5 为相应的磨痕。AlTiN涂层的摩擦以犁沟磨损为主，在磨损表面存在明显的沟槽，说明在摩擦的过程中摩擦表面之间以犁削为主要的摩擦方式，这种恶劣的摩擦形式是造成摩擦系数增大且动荡的主因，如图1c。

3 3 种涂层的摩擦特性对比分析

通过对以上3 种涂层的摩擦特性进行对比分析可以发现，3 种涂层中TiAlN 涂层具有最优的摩擦特性，其在高速高载下均具有最好的耐磨特性，磨损量较小。一般认为，在一定范围内增加TiAlN 中的Al 含量可以提高涂层的摩擦、氧化等特性［9］。但是在本试验条件下，高Al 含量的AlTiN 未显示出摩擦优势，摩擦性能反而降低。

由图5 AlTiN 涂层的磨痕轮廓可以发现，AlTiN 涂层在摩擦的过程中发生了严重的脆性破坏，而不是缓和的摩擦磨损。经分析发现，产生这种现象的原因是由于涂层与对磨球之间发生了严重的粘着磨损，而在其他两种涂层中未发生此种现象。造成这一现象的原因为Al 元素具有很强的化学活性，随Al 元素含量的增加，这种活性使得摩擦副之间的粘接性加强，二者之间发生严重的粘着磨损［7］。另外，AlTiN 涂层在高速摩擦过程中产生大量的Al2O3，使得对磨球严重磨损，大量的磨屑聚集在封闭的摩擦环境中来不及排出，聚集在摩擦区域形成了较大的“第三体”，在摩擦力作用下对涂层形成了严重的“机械磨损”，这不仅会造成摩擦系数的较大波动，也使得AlTiN 涂层在此实验环境下严重磨损。

4 结语

本文在速度20～120 m/min，载荷5 ～15 N 的实验环境下，对TiN、Ti0.56Al0.44N 和Al0.65Ti0.35N 这3 种涂层的摩擦特性进行了对比研究，得出结论如下:

(1)在3 种涂层中，TiAlN 涂层在高速高载工作环境下的磨损较少，表现出最好的摩擦特性。而在相同的实验环境下，AlTiN 涂层磨损最严重。

(2)随Al 元素含量的增加，具有很强化学活性的Al 元素使得AlTiN 涂层摩擦副之间的粘接性增加，发生了严重的粘着磨损。另外，与AlTiN 涂层对磨的摩擦球产生了严重磨损，聚集在摩擦区域内的磨屑形成了较大的“第三体”，这对涂层产生一种严重的“机械磨损”作用。这是在此实验条件下AlTiN 涂层磨损严重的主要原因。

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