切削刀具多层涂层的力学特性和耐磨性

HEATS

　　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。

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　　1试验方法

　　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。

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　　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。

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