羅 億, 丁昊昊, 郭 俊, 劉啟躍, 王文健

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所, 四川 成都 610031)

涂層技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于機械零件表面，以減輕基體材料磨損和損傷，延長零件壽命的表面改性技術(shù)[1-3]. 涂層的種類有很多，TiC、TiN、CrN和TiAlN等硬質(zhì)涂層作為保護性涂層具有較高的硬度、良好的化學穩(wěn)定性以及耐磨損、耐腐蝕和耐氧化等性能，因此被廣泛應(yīng)用在刀具切削領(lǐng)域[4-7]. TiN涂層是一種通用性很好的硬質(zhì)涂層，人們可通過物理氣相沉積技術(shù)(PVD)制備TiN涂層以增強刀具的加工性能，提高刀具壽命和切削效率[8-9]. TiN涂層也被廣泛用于高速鋼刀具，可以得到良好的加工效果[10-14].

硬質(zhì)涂層刀具通常用于金屬切削，涂層與工件接觸面具有較高的載荷，包括法向和切向載荷. 法向載荷是影響涂層服役性能和服役壽命的關(guān)鍵因素之一，法向載荷增大，接觸力增大，切向剪切力也隨之增大，涂層摩擦磨損和失效更嚴重[15]. Ding等[16]研究了化學氣相沉積(CVD)的類金剛石(DLC)涂層在不同法向力作用下的微動摩擦與失效行為，研究發(fā)現(xiàn)：法向力的增加加速了涂層的失效過程. 王永光等[17]研究了重載低速條件下40Cr鋼基體上的滲氮層和CrN 涂層的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)CrN涂層的主要磨損機制是黏著磨損、氧化磨損和磨粒磨損. 在20~60 N載荷條件下，CrN涂層均具有良好的耐磨減摩性能. 鄭光明等[18]研究了Al2O3/TiCN刀具涂層在不同載荷下的滑動摩擦磨損及切削性能，在法向力為10 N時，摩擦系數(shù)最大，隨法向載荷增加，磨損率呈減小趨勢，材料粘結(jié)增多. 張曉宇等[19]在YG8硬質(zhì)合金上制備TiN /MT-TiCN/Al2O3復合涂層，研究了涂層的磨損行為，發(fā)現(xiàn)在50~150 N法向載荷范圍內(nèi)，磨損深度隨法向載荷增加而增加. 磨粒磨損、氧化磨損和剝層是TiN/MT-TiCN/Al2O3復合涂層的主要磨損機制. 任佳等[20]利用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備了Ni60/h-BN涂層，在2~8 N載荷下，涂層的摩擦系數(shù)和磨損率都比基體材料小，涂層的摩擦系數(shù)和磨損率隨載荷增加均先減小后升高，涂層在5 N的載荷下自潤滑和耐磨性能最好. Kim等[21]制備了多層DLC涂層，研究了在不同載荷與滑動速度下的摩擦磨損性能，結(jié)果表明：隨著荷載增加，DLC涂層磨痕表面石墨化的增加和轉(zhuǎn)移層的形成導致平均穩(wěn)定摩擦系數(shù)和磨損率下降，涂層與基體材料的匹配也是影響涂層性能的重要因素. Vera等[2]把不同材質(zhì)的鋼作為基體，分別沉積了TiN、CrN和WC/C涂層. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)WC/C涂層表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)，相比沉積在8620鋼和4140鋼的涂層，沉積在4320鋼上的涂層表現(xiàn)出了更好的耐磨損性能. Xian等[22]將TiAlN-(TiAlN/CrAlSiN)-TiAlN多層涂層沉積在陶瓷、硬質(zhì)合金以及高速鋼基體上，發(fā)現(xiàn)上述涂層在硬質(zhì)合金基體上具有最高的硬度、結(jié)合強度和耐磨性能.

在前期研究中，構(gòu)建涂層的“磨損響應(yīng)圖”可以更直觀地展示涂層在不同條件下的磨損性能[16,23-24]. 因此，為了進一步探究影響TiN涂層磨損服役壽命的原因, 利用PVD技術(shù)在高速鋼和硬質(zhì)合金基體上制備TiN涂層，開展不同法向載荷和不同循環(huán)次數(shù)的摩擦磨損試驗. 對涂層磨損失效過程的摩擦系數(shù)、磨損深度及磨痕表面形貌進行系統(tǒng)分析，闡明TiN涂層失效過程和基體材料對涂層磨損行為的影響，并建立TiN涂層在兩種基體材料上的“磨損壽命圖”，根據(jù)“磨損壽命圖”可以預(yù)估涂層在特定的工作載荷下的磨損壽命，也可以預(yù)估涂層能夠承受的最佳工況載荷. 同時揭示TiN涂層的在不同載荷下的磨損失效機理，探討影響TiN涂層磨損壽命的原因.

1 材料制備及試驗方法

1.1 試樣的制備與表征

TiN涂層通過陰極弧等離子沉積技術(shù)(Cathodic arc plasma deposition)沉積在高速鋼(HSS)和硬質(zhì)合金(WC-Co，牌號YG6A)基體材料上. 高速鋼和硬質(zhì)合金是應(yīng)用廣泛的切削刀具材料[25-27]，其化學成分和機械性能分別列于表1和表2中. 在制備涂層試樣之前，兩種基體被磨削至表面光滑平整. 利用JB-6C型粗糙度輪廓儀測得兩種基體的表面粗糙度(Ra)均低于0.2 μm(表2). 經(jīng)退磁和超聲清洗后，兩種基體材料被放置于同一氣相沉積反應(yīng)爐中，然后通入氬氣并加熱1 h，加熱溫度為400 ℃，基體材料分別被Ar離子和Ti離子轟擊蝕刻. 之后在基體上沉積過渡層Ti薄膜來提高TiN涂層與基體的結(jié)合強度. TiN沉積時通入氮氣，爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在380 ℃，基體偏壓為60 V，電弧電流為125 A，旋轉(zhuǎn)陰極靶材Ti的轉(zhuǎn)速為10 r/min，TiN沉積過程耗時約0.5 h.

表1 基體和TiN涂層的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of substrates and TiN coating (mass fraction)

表2 基體和涂層試樣的機械性能和粗糙度Table 2 Mechanical properties and roughness of substrates and coatings

圖1所示為TiN涂層表面和剖面形貌的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，TiN涂層表面有少量滴狀物和孔隙，這符合要求且并不影響涂層的正常使用. 兩種基體在相同的設(shè)備和沉積參數(shù)下沉積相同的涂層，涂層厚度均約為1 μm，表面粗糙度Ra在0.080~0.120 μm范圍內(nèi)(表2).

Fig. 1 SEM micrographs of the surface and cross-section of coated samples圖1 涂層試樣表面和橫截面形貌的SEM照片

四種試樣被用于摩擦磨損試驗：(1)無涂層的HSS基體試樣(HSS試樣)；(2)無涂層的WC-Co基體試樣(WC-Co試樣)；(3)具有TiN涂層的HSS試樣(TiN涂層/HSS基體)；(4)具有TiN涂層的WC-Co試樣(TiN涂層/WC-Co基體). 所有試樣被切割為20 mm×10 mm×10 mm. 其中無涂層的基體試樣在氣相沉積反應(yīng)爐中保溫相同時間但不沉積涂層.

1.2 摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗使用往復摩擦磨損試驗機[2,17,28](球-平面接觸)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示. 試驗均在常溫大氣環(huán)境下進行(溫度T為20~25 ℃，濕度為64%±5% RH).摩擦對偶采用硬質(zhì)合金球(牌號：YG8；材料：WC-Co；直徑6 mm；硬度1 520 HV；彈性能模量510 GPa). 法向載荷：30~120 N (在不考慮涂層彈性模量、泊松比和硬度的影響下，TiN涂層/HSS基體試樣最大赫茲接觸應(yīng)力為2 538~4 029 MPa；TiN涂層/WC-Co基體試樣最大赫茲接觸應(yīng)力為3 591~5 700 MPa). 垂向載荷和循環(huán)次數(shù)參數(shù)列于表3中，往復頻率：2 Hz，往復位移幅值：3 mm (平均速度為12 mm/s)，摩擦系數(shù)曲線由往復摩擦磨損試驗機通過壓力傳感器和拉壓傳感器(圖2)實時采集法向力和切向力并計算獲得. 在設(shè)定循環(huán)次數(shù)試驗結(jié)束后，將試樣取出分析，再更換新的平面試樣和球試樣進行下一組試驗. 磨痕深度是在試驗結(jié)束后，將試樣取出超聲清洗后，使用接觸式表面輪廓儀從垂直于滑動磨痕方向均勻選取5條輪廓進行測量，對測量得到的磨痕輪廓數(shù)據(jù)進行峰值分析，求得輪廓最大磨損深度，再將測量結(jié)果求平均值和標準誤差.磨痕的表面和剖面形貌使用SEM (phenom Pro-SE，荷蘭)和X射線能譜儀(EDS，SM-6610LV，日本)觀測分析.

表3 試驗參數(shù)Table 3 Test parameters

Fig. 2 Schematic of the reciprocating friction and wear test machine圖2 往復摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)簡圖

2 試驗結(jié)果與分析

不同循環(huán)次數(shù)試驗后，對獲得的摩擦系數(shù)、磨損深度、磨痕表面和剖面形貌進行綜合分析，從而確定涂層試樣的失效狀態(tài)，并進一步建立了涂層的磨損壽命圖，對涂層失效機理進行分析. 在滑動磨損過程中，涂層發(fā)生失效行為，摩擦系數(shù)和磨損深度都會發(fā)生變化. 涂層脫落后，基體材料將暴露在表面，摩擦系數(shù)將趨近基體的摩擦系數(shù)，磨損深度也將增大，因此觀察磨損過程中摩擦系數(shù)和磨損深度的變化有助于判斷涂層失效與否. 通過對不同循環(huán)次數(shù)試驗下涂層試樣磨痕表面的觀測和分析，可以直接了解涂層磨損過程中的磨損失效行為.

2.1 摩擦系數(shù)

圖3(a)所示為基體材料摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線. HSS試樣的穩(wěn)定摩擦系數(shù)大于WC-Co試樣的穩(wěn)定摩擦系數(shù)，HSS試樣的穩(wěn)定摩擦系數(shù)在0.7~0.8之間，WC-Co試樣的穩(wěn)定摩擦系數(shù)在0.2~0.3之間. 分析原因認為HSS試樣與摩擦對偶相對滑動過程中，接觸區(qū)存在點接觸，接觸點發(fā)生塑形變形從而產(chǎn)生熱量，在摩擦熱的作用下HSS表層軟化，導致HSS試樣出現(xiàn)嚴重黏著磨損[28]，使摩擦系數(shù)維持較高水平. 其次，由于WC-Co試樣強度和硬度更高，可以減緩摩擦和犁削作用. 同時WC-Co試樣晶粒粗大且具有微孔結(jié)構(gòu)[圖1(b)]，未及時排出的磨屑會儲存在WC-Co材料微孔中，降低了磨粒磨損，使得摩擦系數(shù)顯著減小[29].

圖3(b)所示為TiN涂層/HSS基體試樣摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線. 在不同法向載荷條件下，磨損過程中都會存在摩擦系數(shù)增加的過程，法向載荷越大，摩擦系數(shù)增加的過程會越早發(fā)生. 這是由于涂層逐漸失效使摩擦力增大，導致摩擦系數(shù)增加，并且法向載荷越大，涂層發(fā)生失效的過程會越早.

通過統(tǒng)計每次試驗的摩擦系數(shù)曲線上最后一段摩擦系數(shù)值的平均值[取10個摩擦系數(shù)值，見圖3(b)中的橢圓處]作為試驗最終摩擦系數(shù)來探究涂層磨損失效過程中的摩擦系數(shù)變化，涂層試樣的最終摩擦系數(shù)如圖4所示.

Fig. 3 Friction coefficient as a function of cycle number圖3 摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化

Fig. 4 The final friction coefficient of coating samples圖4 涂層試樣的最終摩擦系數(shù)

對于TiN涂層/HSS試樣[圖4(a)]，在不同法向載荷下，隨循環(huán)次數(shù)增加，摩擦系數(shù)從0.2~0.4增加至0.7~0.8 (HSS基體的摩擦系數(shù)). 其原因可能是涂層摩擦系數(shù)較小(0.2~0.4)，涂層發(fā)生破碎和剝落(失效)時摩擦力增大，導致摩擦系數(shù)上升. 涂層失效后，裸露的HSS基體與摩擦對偶接觸，加劇了摩擦磨損，導致摩擦系數(shù)增大. 由于TiN涂層在接觸面間具有一定減摩和抗氧化的作用[10,14,19]，只有當涂層完全脫離HSS基體，摩擦系數(shù)才會達到基體的摩擦系數(shù)水平.

對于TiN涂層/WC-Co試樣[圖4(b)]，在30 N法向載荷下，摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升趨勢. 其原因可能是在較小的法向應(yīng)力下，TiN涂層緩慢發(fā)生失效，使摩擦力逐漸增加. 在60~120 N法向載荷時，摩擦系數(shù)波動較大，其可能的原因是在較大的法向應(yīng)力下，涂層發(fā)生快速破碎、擠壓剝落和剝層等導致摩擦力急速變化. 此外，隨著循環(huán)次數(shù)增加，摩擦系數(shù)均保持在0.4~0.5，其原因可能是裸露的WC-Co基體與摩擦對偶接觸，同時，未被及時排出的涂層碎屑、摩擦對偶磨屑和基體磨屑共同在接觸面間反復地粘附和分離[30]，最終形成第三體層，導致摩擦系數(shù)高于WC-Co基體的摩擦系數(shù)(0.2~0.3). 因此不能只通過摩擦系數(shù)判斷TiN涂層/WC-Co試樣的失效情況.

2.2 磨損深度

磨損深度不僅反映涂層試樣磨損程度，也能反映涂層的失效狀態(tài). 當磨痕深度小于涂層的厚度(1 μm)時，可以確定涂層沒有失效. 硬質(zhì)TiN涂層具有較強的耐磨損能力，涂層未失效時可以有效減少磨損，去除失效涂層后磨損程度會增加. 因此，當磨損深度增加的程度急劇增大時，可能是由于涂層發(fā)生脫落、剝落等失效行為. 如圖5所示，在相同法向載荷下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，磨損深度逐步增加.

法向載荷影響接觸應(yīng)力和基體的變形程度，進而影響磨損深度的大小. 在較大的法向載荷下，接觸應(yīng)力較大，涂層更易發(fā)生磨損. 同時，基體變形程度也更大，導致磨痕輪廓深度更大. 在較小法向載荷下，接觸應(yīng)力較小，基體變形程度也更小，導致磨痕輪廓深度更小，涂層耐磨性增大.

Fig. 5 Wear depth of coating samples圖5 涂層試樣的磨損深度

在磨損過程的早期，基體材料變形對磨損深度具有明顯影響. 對于HSS基體上的涂層，即便循環(huán)次數(shù)很小，磨痕輪廓深度依然會大于1 μm(涂層厚度)，這主要是由基體變形導致的廓形深度. 由于HSS的硬度和彈性模量小于WC-Co基體(表2)，HSS基體抵抗變形的能力不及WC-Co基體，因此，TiN涂層/HSS基體試樣在早期磨損過程磨損深度會更大.

2.3 磨損形貌分析

為了探究涂層試樣在磨損過程中TiN涂層的磨損行為和失效形式，通過SEM與EDS觀察分析不同循環(huán)次數(shù)試驗后試樣磨痕的表面和剖面形貌和成分(圖6~9)，以了解分析涂層磨損失效的程度. 試驗初期(即涂層正常工作時)，涂層未發(fā)生嚴重的破碎、磨損和脫落.涂層失效后，涂層大部分脫落，暴露出基體材料.

2.3.1 TiN涂層/HSS基體

TiN涂層/HSS基體試樣的典型磨痕表面形貌的SEM照片如圖6所示，在30 N法向載荷下，隨循環(huán)次數(shù)增加，TiN涂層從磨痕中部開始逐漸被磨薄，磨痕上存在犁溝，并且磨損過程伴隨有磨屑粘附在磨痕表面.對循環(huán)1 000次后涂層表面有磨屑粘附的A點進行EDS分析，結(jié)果如圖7所示，A點成分由N、Ti (來自TiN涂層)、C、W(來自摩擦對偶)以及質(zhì)量分數(shù)為10.86%的O組成，摩擦對偶材料的粘附說明磨損過程中發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，氧元素的出現(xiàn)表明磨損過程有氧化現(xiàn)象. 涂層和摩擦對偶均不含F(xiàn)e (表1)，因此Fe元素只能來源于HSS基體，元素分析說明基體和涂層的元素發(fā)生了相互擴散[31]. 當循環(huán)次數(shù)為2 000次時，磨痕上的涂層已經(jīng)被完全磨掉，基體完全裸露，此時涂層被視為失效. 涂層完全剝落后，裸露的HSS基體上的磨屑被反復地粘附和去除，20 000次循環(huán)后，磨痕表面依然可以觀測到磨屑粘結(jié)形成的第三體層，導致基體材料磨損加劇. 因此，TiN涂層/HSS基體試樣在30 N法向載荷下的主要失效形式為磨粒磨損、輕微黏著磨損和氧化磨損.

在120 N法向載荷下，涂層磨損程度最嚴重. 循環(huán)次數(shù)為500次時，涂層發(fā)生部分剝落，基體產(chǎn)生裂紋，HSS基體上產(chǎn)生裂紋是由于在大載荷下HSS基體抗拉性能較差[32]. 1 000次循環(huán)后，涂層發(fā)生片狀剝落，此時涂層并沒有完全脫落，但是摩擦系數(shù)和磨損深度已經(jīng)發(fā)生急速變化，因此涂層被視為失效. 通過剖面分析(圖8)，可以發(fā)現(xiàn)在磨痕兩端有磨屑堆積，涂層上有犁溝出現(xiàn)，試樣表面出現(xiàn)剝落坑，并且涂層發(fā)生斷裂、剝落和分層[19,30-31]，涂層與基體的結(jié)合也被破壞[15,32]. 裂紋一側(cè)的殘余涂層被壓入基體，基體發(fā)生塑性變形.嵌入基體的涂層材料并不能馬上被去除，殘余的涂層會對基體材料進行二次保護[33]. 在周期性的往復滑動的作用下，裂紋擴展后基體材料脫落形成剝落坑[34-35]，此外，摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦熱導致高速鋼基體的熱軟化和基體微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而引起涂層迅速變形和斷裂[15,32,35]. 直到20 000次循環(huán)后(圖9)，磨痕上殘余的涂層材料被完全去除，剝落坑被磨平，裸露出的基體表面有犁溝和大量點蝕坑. 120 N法向載荷下TiN涂層/HSS基體主要失效形式是涂層斷裂、磨粒磨損和剝層磨損.

在60和90 N法向載荷下，涂層的磨損與失效過程與120 N法向載荷下相似. 滑動磨損過程中，隨著法向載荷增加，涂層的磨損過程更加劇烈，試樣會更早地產(chǎn)生裂紋和剝落現(xiàn)象.

2.3.2 TiN涂層/WC-Co基體

Fig. 6 SEM micrographs of TiN coating on HSS under different normal loads and cycle numbers圖6 不同法向載荷和循環(huán)次數(shù)下TiN涂層/HSS基體試樣磨痕表面的SEM照片

Fig. 7 EDS elements analysis of A point in wear scar (A point in Fig. 6)圖7 磨痕表面A點EDS元素分析(圖6中A點)

在30~50 N法向載荷下，涂層試樣磨損和涂層失效形式相似，因此僅展示30 N法向載荷下的典型磨痕表面形貌. 在30 N法向載荷下運行1 500次循環(huán)后，磨痕中部涂層被輕微磨薄(圖10)，涂層上出現(xiàn)犁溝.2 000次循環(huán)后，磨痕中部的涂層被劇烈磨損去除，暴露出大部分基體材料，涂層被視為失效. 之后，由于基體材料與摩擦對偶發(fā)生接觸，材料黏著磨損加劇，涂層失效區(qū)域逐漸從中部向外衍生[19,30]. 因此，TiN涂層/WC-Co基體的主要失效形式是磨粒磨損[19,31].

當法向載荷增加到60、90和120 N時，100次循環(huán)試驗之后涂層已經(jīng)完全磨損失效(在較高的載荷下，磨損失效的程度更高). 并且涂層失效后，磨屑會粘附在裸露的基體材料上形成第三體層，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，第三體層會在基體材料上反復形成和磨損去除.在較大載荷下，TiN涂層/WC-Co基體試樣表現(xiàn)為嚴重的剝層失效.

2.4 磨損壽命圖和失效機理

Fig. 8 SEM micrographs of cross-section of wear scar of TiN coating on HSS under and 120 N after 1 000 cycles圖8 120 N法向載荷下1 000次循環(huán)后TiN涂層/HSS基體的磨痕剖面形貌的SEM照片

Fig. 9 SEM micrographs of cross-section of wear scar of TiN coating on HSS under 120 N after 20 000 cycles圖9 120 N法向載荷下20 000次循環(huán)后TiN涂層/ HSS基體磨痕剖面形貌的SEM照片

根據(jù)涂層的摩擦系數(shù)、磨損深度和磨痕形貌情況可以綜合確定涂層是否發(fā)生失效.，進一步根據(jù)涂層失效情況建立TiN涂層在不同法向載荷下的磨損壽命圖.磨損壽命圖的建立是為了更好地探究涂層服役規(guī)律，有助于揭示TiN涂層的在不同載荷下的失效機理和進一步探究影響涂層磨損壽命的因素. 此外，磨損壽命圖為更好地指導涂層應(yīng)用提供思路，可用于預(yù)估涂層在特定工作載荷下的磨損壽命，也可用于預(yù)估涂層能夠承受的最佳工作載荷.

如圖11所示，涂層磨損壽命圖可分為兩個部分：涂層工作區(qū)(Coating working area)和涂層失效區(qū)(Coating failed area). 當法向載荷和循環(huán)次數(shù)都較小時，涂層處于工作區(qū)，此時摩擦系數(shù)較小且不發(fā)生急劇變化(圖4，摩擦系數(shù)低于0.5)，磨損深度較小(圖5)，涂層也沒有發(fā)生嚴重失效行為；當法向載荷和循環(huán)次數(shù)都較大時，涂層處于失效區(qū)，此時摩擦系數(shù)發(fā)生劇烈變化并逐漸接近基體材料的摩擦系數(shù)(圖4)，磨損深度較大(圖5)，涂層發(fā)生嚴重失效或完全失效. 在涂層工作和失效區(qū)域之間可建立1條曲線(命名為磨損壽命曲線，Coating life curve)，此曲線是涂層磨損壽命的臨界值.

如圖11所示，在30 N載荷條件下，兩基體材料上的TiN涂層的磨損壽命都在1 500~2 000次循環(huán)之間.在30~120 N載荷的條件下，TiN涂層/HSS基體的磨損壽命隨法向載荷的增大而逐漸減小. 然而TiN涂層/WC-Co基體在法向載荷高于60 N時，涂層的磨損壽命顯著減小，小于100次循環(huán). 因此TiN涂層在WC-Co上不能承受較高的法向載荷，在HSS基體上表現(xiàn)出良好的抵抗法向載荷的能力，因此TiN涂層/HSS基體更適宜重載切削.

在不同法向載荷條件下，TiN 涂層具有不同的失效機理. 在較小的法向應(yīng)力作用下[圖12(a)]，涂層的主要失效機理是逐漸的磨損失效. 涂層與摩擦對偶接觸區(qū)存在的微凸峰在法向力作用下擠壓變形形成粘結(jié)點，在相對滑動產(chǎn)生的切向力作用下，粘結(jié)點剪切形成磨屑，磨屑在滑動接觸面間形成三體磨粒磨損，磨粒的犁削和擠壓作用會加劇涂層的磨損. 同時磨屑受力和摩擦熱作用在涂層試樣表面形成摩擦化學膜(第三體層)，加劇接觸面黏著磨損.

Fig. 10 SEM micrographs of TiN coating on WC-Co under different normal loads and cycle numbers圖10 不同法向載荷和循環(huán)次數(shù)下TiN涂層/ WC-Co基體試樣磨痕表面形貌的SEM照片

Fig. 11 Wear lifetime map under different normal loads圖11 不同法向載荷條件下涂層磨損壽命圖

在較大的法向應(yīng)力作用下[圖12(b)]，涂層的失效機理主要為疲勞斷裂、剝層和磨損. 法向應(yīng)力會使涂層試樣表面擠壓變形，由于涂層和基體材料的變形程度不同，涂層和基體發(fā)生內(nèi)聚力失效，萌生裂紋[34-36].隨著往復循環(huán)次數(shù)的增加，涂層裂紋擴展后導致涂層斷裂. 涂層斷裂后由于反復擠壓和黏著的作用，導致涂層片狀剝落，也會使得涂層與基體的結(jié)合被破壞，造成涂層出現(xiàn)剝落現(xiàn)象. 涂層部分剝落后，磨屑填入剝落坑中，涂層試樣表面硬度不均，導致黏著磨損和磨粒磨損加劇.

Fig. 12 Failure mechanism of coatings圖12 涂層失效機理

通過對比TiN涂層在兩種基體材料上的磨損壽命圖和涂層失效機理，可以發(fā)現(xiàn)法向接觸應(yīng)力和基體材料抵抗變形的能力是影響涂層磨損壽命的重要原因.

接觸應(yīng)力受法向載荷大小和基體材料彈性模量、泊松比和硬度的影響. 在相同基體材料上，法向載荷越大，接觸應(yīng)力越大，涂層磨損壽命越短. 相同法向載荷作用下，TiN涂層/WC-Co基體試樣比TiN涂層/HSS基體試樣具有更高的赫茲接觸應(yīng)力. 導致在60 N相同載荷條件下時，TiN涂層/HSS基體比TiN涂層/WC-Co基體磨損程度更低，涂層磨損壽命更長(圖11). TiN涂層/HSS基體在120 N法向力下的接觸應(yīng)力(4 029 MPa)比TiN涂層/WC-Co基體在60 N法向力的接觸應(yīng)力(4 524 MPa)小，因此TiN涂層/HSS基體試樣在120 N法向載荷下依然比TiN涂層/WC-Co基體試樣在60 N法向載荷下具有更長的磨損壽命(圖11).

除了接觸應(yīng)力，基體抵抗變形的能力也對涂層磨損壽命產(chǎn)生影響. 在相同的30 N法向載荷下，HSS基體涂層試樣的最大接觸應(yīng)力(2 538 MPa)比WC-Co基體涂層試樣最大接觸應(yīng)力(3 591 MPa)低，但HSS抵抗變形的能力差，導致兩種試樣具有相近的磨損壽命(1 500~2 000次).

3 結(jié)論

a. HSS基體穩(wěn)定摩擦系數(shù)在0.7~0.8之間，WC-Co基體穩(wěn)定摩擦系數(shù)在0.2~0.3之間. TiN涂層/HSS基體試樣在不同法向載荷下摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)上升趨勢，當涂層失效時，摩擦系數(shù)會急速上升. TiN涂層/WC-Co基體試樣在30 N法向載荷下摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，在60 ~120 N法向載荷下由于涂層失效導致摩擦系數(shù)波動較大.

b. 涂層試樣磨損深度逐漸隨循環(huán)次數(shù)增加而增加. 在涂層完全失效后，磨損深度急劇增加. 法向載荷影響接觸應(yīng)力和基體的變形程度，進而影響磨損深度的大小. 基體材料變形程度影響磨損深度，基體材料抵抗變形的能力越強，涂層試樣磨損深度越低.

c. 隨循環(huán)次數(shù)和法向載荷增加，涂層試樣表面磨損程度增加. 對于TiN涂層/HSS基體試樣，在30 N法向載荷下，TiN涂層/HSS基體試樣的主要失效形式為磨粒磨損、輕微黏著磨損和氧化磨損；在60~120 N法向載荷下，TiN涂層/HSS基體主要失效形式是涂層斷裂、磨粒磨損和剝層磨損. TiN涂層/WC-Co基體試樣在30~50 N載荷下，主要失效形式是磨粒磨損；在60~120 N法向載荷下，主要失效形式是嚴重剝層.

d. TiN涂層的磨損壽命圖可分為兩部分：涂層工作區(qū)和涂層失效區(qū). TiN涂層的磨損壽命和失效過程受接觸應(yīng)力和基體材料抗變形能力的共同影響. 接觸應(yīng)力越大，涂層磨損壽命越短. 基體材料抵抗變形的能力越強，涂層磨損壽命越長. TiN涂層/HSS基體具有良好的抵抗法向載荷能力和較長的磨損壽命.