TiN／TiAlN涂层金属陶瓷的摩擦学性能研究（稀有金属材料与工程论文）

TiNTiN TiAlNTiAlN涂层金属陶瓷的摩擦学性能研究 稀有金属材涂层金属陶瓷的摩擦学性能研究 稀有金属材 料与工程论文 料与工程论文 第36卷增刊320o7年9月稀有金属材料与工程RARE METALM ATERIALSAND ENGINEER量 1 G Vo1 36 Supp1 3SeptemberxxTiN TiAIN涂层金属陶瓷的摩擦学 性能研究郑立允 赵立新 张京军 熊惟皓 1 河北工程大学河北 省资源勘测研究重点实验室 河北邯郸 056038 2 华中科技大学 模具技术国家重点实验室 湖北武汉 430074 摘要采用多弧离子镀 技术在Ti C N 基金属陶瓷基体上沉积了TiN TiAIN多层涂层 通 过对不同速度 载荷下的微量摩擦磨损试验前后涂层金属陶瓷的显 微形貌 组织 成分 相结构及粗糙度的观察分析 研究了涂层金 属陶瓷的摩擦学性能 结果表明 TiN TiAIN涂层金属陶瓷的平均摩擦系数均低于金属陶 瓷基体本身的平均摩擦系数 在相同载荷下 滑动速度较低时 涂 层金属陶瓷磨损表面粘着严重 有GCrl5掉下的大块粘着物 随着滑 动速度的增大 由严重粘着对磨偶件材料向少量粘着变化 其平均 摩擦系数增大 在相同的滑动速度下 载荷较大时 TiN TiAIN涂层金属陶瓷的平 均摩擦系数较大 TiN TiAIN涂层金属陶瓷的磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损 关键词金属陶瓷 多弧离子镀 多层涂层摩擦学性能中图法分类号T GI48Al002 l85X xx 3 492 041引言TiA1N涂层具有很好的高温抗氧化性 温度升高的800 时才 与热空气反应 而TiN涂层在550 就氧化了 TiA1N涂层还具有高的抗水溶液腐蚀性f I2 此外 TiA1N表现出高的机械加工能力 例如与其他涂层相比 TiA1N涂层高速钢和硬质合金刀具能在更高的 切削速度下使用 近年来 TiA1N硬质涂层主要沉积在高速钢或硬质合金基体上f3 在高速切削方面已有应用 但是 Ti A1 N硬质涂层用于高速钢切削 刀具时其界面结合问题不可避免 于是 人们致力于多层膜 超点阵多层膜 过渡层等的研究 D Y Wang等l6 研究探讨了一系列多层膜界面 包括TiA 1 TiN和TiA1N 试图提高沉积到高速钢基体上的 Ti A1 N的结合 强度 采用阴极弧蒸发作为沉积方法 因为它高的等离子体密度和多靶布 置的灵活性 在 炉处理过程中顺序沉积两层夹层和 Ti A1 N膜层 结果表明TiN和TiA1N中间层结合后 Ti A1 N和M2基体问的结合强 度可达到50N 高速钢切削刀具上 Ti A1 N薄膜的摩擦学性能显著提高 解决界面问题的另一条途径是 从基体成分上考虑 改善涂层与基 体的相容性问题 提高其界面结合强度 也就是将高速钢基体或硬质合金基体更换为与钛基氮化物涂层相容 性更好的Ti C N 基金属陶瓷 因此 本文采用多弧离子镀技术在Ti C N 基金属陶瓷基体上沉积 了TiN TiA1N多层涂层 并研究了涂层的摩擦学特征及影响因素 2实验方法2 1基体材料 镀层材料及摩擦副材料的选择本试验选用 Ni含量较高 韧性较好的Ti C N 基金属陶瓷作为基体材料 其原 始粉末的成分配比为39 2 TIC 10 TiN 32 Ni11 Mo 7 WC 0 8 C 经过球磨混料一烘干 H成型剂一压制成型一脱除成型剂一真空烧结后 试样在万能工具 磨床上用金刚石砂轮磨削成平面 然后经240 400 800 金相水 砂纸磨屑后抛光 其粗糙度约为0 08um 制各TiN TiAlN多层涂层后 用于滑动摩擦磨损性能测试 选用Ti靶和TiA1合金靶 其中Ti靶的纯度为99 999 TiA1合金靶 的Ti A1含量均为50 采用纯Ti靶制备TiN镀层 采用TiA1合金靶制备TiA1N涂层 采用分离靶技术 制备TiN TiA1N多层膜 由于镀层的硬度高 耐磨性能好 在滑动摩擦条件下 用不同的滑 动速度 接触应力来考察镀层的摩擦磨损性能 因此用于摩擦磨损 性能测试的摩擦副应选用高硬度 具有优良耐磨性能的材料 摩擦副选用轴承钢GCrl5 滚珠钢球的直径为2mm 其最终热处xx 0 5 20基金项目国家自然科学基金资助 50074017 作者简介郑立允 女 1968年生 博士 教授 河北工 程大学机电工程学院 河北邯郸056038 电刊3郑 也允等ti n tia1n涂层金属陶瓷的摩擦学性能研究 493 理为840 加热保 温 油冷淬火 并于170 同火3h 硬度为hrc62 64 2 2镀层的制备工艺主要采用多弧离子镀分离靶技术 在长沙宝钛 镀膜有限公司制备TiN TiA1N膜 沉积设备为14弧源多弧离子镀膜机 其中纯Ti靶6个 含Ti Al各50 的TiAl靶8个 镀层制备的整个工艺流程为试样镀层制备前的检查一在三氯乙烯中 超生波清洗一汽油清洗 2次 一水洗一酸洗一乙醇清洗一烘干一装炉 一离子轰击清洗一制备Ti过渡层一制备TiA1N层一制备TiN表面层一 真空冷却一出炉 辅助气体为N 2 Ar气体 纯度均为99 999 为了提高膜与基体的结合力 在制备TiA1N薄膜前 在试样表面先沉 积 层纯Ti膜 TiA1N薄膜的沉积工艺为靶电流60 70A 偏压为 20 0 400V N2分压0 32Pa 沉积温度500 总沉积时问为120min 试样真空炉冷到80 出炉 2 3摩擦学性能试验方法与仪器镀层的摩擦学性能试验在WM xx球 盘摩擦磨损试验仪上完成 室温下无润滑测试 滚珠为GCrl5 2mm 试验参数载荷 2 4N 线速度分别为0 094 0 168 0 251m s 滑动摩擦时间为 1 2h 采用失重法评价镀层的耐磨性 试验前后 均将试样放入超声波设备进行清洗 吹干后用感量为0 1mg的电子天平称重 试样磨损前后的质量差即为磨损量 每组试验重复3次 取平均值 3TiN TiAlN涂层的滑动摩擦学特性3 1滑动摩擦系数与时间的关系 图1所示为金属陶瓷基体及其TiN TiA1N涂层在不同转速下的摩擦系 数随滑动摩擦时问的变化 由图可知 在滑动开始时 涂层的摩擦系数最低 然后增Time min 图1金属陶瓷基体上TiN TiA1N涂层的摩擦系数Fig 1Friction coe f i cient of TiN TiA1N coatingon the cermets大到一定值时 稍有回落 并且随着摩擦时问的延长 其摩 擦系数变化很小 曲线比较平直 而当滑动速度提高到0 16m S 和0 25m S 时 其摩擦系数相差不大 但是比滑动速度为0 094m S 时明显增大 而且随着摩擦时间的延长 摩擦系数波动较大 原因可能是有部分TiA1N露出 而其摩擦系数比TiN高 因此会出现 摩擦系数的波动 由图1还可以看出 涂层金属陶瓷的摩擦系数均低于金属陶瓷基体本 身的摩擦系数 3 2滑动摩擦磨损性能与滑动速度的关系表1所示为镀有TiN TiA1N 涂层的Ti C N 基金属陶瓷在不同转速下的摩擦学性能 可以看出 平均摩擦系数随着滑动速度的增大而增大 在滑动速度为0 094m s 和0 168m s 时 试样质量不但没有减少 反而有所增加 这是因为对磨偶件上的材料被磨掉后 粘着在试样上造成的质量增 加 这可以从磨损试样的形貌及其EDS谱 见图2得到证实 而在转速为0 251m s 时 试样的质量明显减小 在较高滑动速度下 试样质量减少的原因可能是高速滑动时的冲击 作用致使试样表面微颗粒剥落 而剥落的微颗粒被压进钢球中 反 过来磨损试样 使其质量减少 由表1看出 随着滑动速度的增大 磨损试样的质量变化由增量减少 变为减量 即由严重粘着向少量粘着变化 表1TiN TiAIN涂层及基体在不同转速下的摩擦学性能Table1Tribol ogical propertiesof the TiN TiAIN coatingsand cermetsat differentsliding speedsSpecimen Coating CoatingCoatingCermet22220 0940 1680 2510 16822220 1230 1920 1980 2080 1140 1620 1650 185 0 0004 0 0001 0 0008 0 0005图2所示为金属陶瓷基体上TiN TiA1N涂层在滑动速度为0 094m s时的磨损表面形貌及EDS谱分析 结果表明 低速摩擦磨损表面有Fe存在 说明GCrl5粘着在涂层表面 3 3滑动摩擦磨损性能与载荷的关系图3所示为金属陶瓷基体上TiN TiA1N涂层在不同载荷下的摩擦系数与时间的关系 在相同的滑动速度下 载荷为2N时 平均摩擦系数为0 162 载荷 为4N时 平均摩擦系数为0 183 可见 在较高载荷下 TiN TiA1N涂层金属陶瓷的摩擦系数较大 这是由于摩擦力与作用于摩擦表面上的法向载荷成正比 在较低的 载荷下 摩擦力较小 t l0豇 m锄一一一一一甜n m仰d 量哪l地 q加h m嘶 o o o o o o oooooo liiq一0q0u i10一芑 494 稀有金属材料与工程第36卷摩擦系数较大 而在较高载荷下 摩擦力较大 摩擦副之间的实际接触面积增大 因而 摩擦系数增大 图2转速为0 094m S 时金属陶瓷基体上TiN TiA1N涂层的磨损表面形貌 a 及其EDS谱 b Fig 2Worn surfacemorphology a and EDSspectrum b of TiN TiA1N coatingon thecermet atthe speed of0 094m S一营 g案8昌鼍Time min图3TiN TiA1N涂层的摩擦 系数 滑动速度0 168nl s Fig 3Friction coefficientof TiN TiAlN coatingunder differentload3 4TiN TiAlN涂层的磨损机理图4给出了不同滑动 速度下磨损表面的形貌 金属陶瓷基体的TiN TiAIN涂层 在较低滑动速度下 磨损表面粘 着严重 有GCrl5掉下的大块粘着物 在滑动速度为0 168m S 时 在磨痕的低倍SEM照片上 磨痕比较宽 实际上是由于对磨钢球 在高速旋转时其磨屑飞溅造成的假相 实际磨痕没有那么宽 在磨 痕的高倍SEM照片上 磨损表面还可以看出涂层表面的凹坑形貌 当滑动速度增大到0 251m S0时 涂层凹坑之间的边界棱已经被磨 的比较模糊 很难分辨了 由于涂层硬度高于对磨偶件钢球的硬度 造成磨损的原因是涂层表 面的硬质粒子脱落后 被压入钢球 反过来与涂层对磨 使涂层被 磨损 总之 金属陶瓷基体的TiN TiAIN涂层与GCrl5摩擦过程中 磨损主 要是粘着磨损 在较高滑动速度下 还伴随有磨粒磨损 图4TiN TiA1N涂层在滑动速度为 a b 0 168m s pd 0 251nl s 时的磨损表面形貌Fig 4W ornsurface morphologiesof TiN TiA1N coatingat slidingspeedof a andb 0 168nl s c andd 0 251m s 4结论1 tin tiain涂层金属陶瓷 在滑动摩擦开始时 涂层的摩擦 系数最低 然后增大到一定值时 稍有回落 并且随着摩擦时间的 延长 其摩擦系数变化很小 增刊3郑立允等tin tiain涂层金属陶 瓷的摩擦学性能研究 495 曲线比较平直 TiN TiAIN涂层的平均摩擦系数均低于金属陶瓷基体本身的平均摩 擦系数 并随着滑动速度的增大而增大 2 在相同载荷下 随着滑动速度的增大 金属陶瓷基体的TiN TiAI N涂层的质量变化由增量减少变为减量 即由严重粘着向少量粘着变 化 在相同的滑动速度下 载荷较大时 金属陶瓷基体上TiN TiAI N涂层的平均摩擦系数较大 3 金属陶瓷基体的TiN TiAIN涂层 在较低滑动速度下 磨损表面 粘着严重 有GCrl5掉下的大块粘着物 当滑动速度增大到0 251m S时 涂层凹坑之间的边界棱已经被磨 的比较模糊 其磨损机制主要是粘着磨损和磨粒磨损 参考文献references 1 nouari m list g girot fet a1 wear j xx 255 7 l2 l359 2 pentinnen im korhonen as hatlu eet a1 surface and coatings technology j 1992 50161 3 andersen kn bienk ej schweitz k0et a1 surface andcoatings technology j 2000 123219 4 harris sg doyle ed vlasveld ac eta1 wear j xx 254723 5 yoon sy kim jk kim kh sur faceandcoatings technology j xx 161237 6 wang dy chang cl wong kw eta1 surface andcoatingstechnology j 1999 120 121388tribological propertiesoftin tiain coatedcerm etszheng liyun zhao lixin zhang jingjun xiong weihao 1 hebei universityofengineering handan056038 china 2 huazhong universityof scienceand technology wuhan430074 china abstractti c n 一based cermets were coatedwith atin tiain multi layer coatingusing multi arc ion plating technology the microstructure ponents phase structureand roughnessof the coated cermetsbefore andafter the f rictionand weartests underdifferent speedand loadwere characterized the resultsshow thatthef riction coef icients of the tin tiain coatedcermets werelower thanthat ofthecermetswithout coatings under thesame load the adhesionphenomenon ofthe counterpa