邵樹鋒，成先明，孫守宇，楊 可，馮 源

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 前 言

過渡金屬氮化物涂層的耐磨性良好，在刀具、模具等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。氮化物涂層材料中的二元氮化物如TiN[1]、CrN[2]和三元氮化物如TiAlN[3]被廣泛研究。

王欣等[4]研究了CrAlN 納米復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)及切削性能，發(fā)現(xiàn)CrAlN 納米復(fù)合涂層在切削的高溫狀態(tài)下會(huì)形成Al2O3和Cr2O3等氧化膜，形成的氧化膜可以有效阻隔刀具與工件之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而保護(hù)刀具，使得涂層刀具表現(xiàn)出良好的耐磨性。段佳妮等[5]采用多弧離子鍍?cè)赥i-6Al-4V 鈦合金片表面制備了TiAlCN 和TiAlN 涂層，并對(duì)比了2 種涂層的耐磨性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiAlCN 涂層由于具有無定形碳的潤(rùn)滑作用，其磨損率顯著低于TiAlN 涂層。李祥等[6]采用PVD 法在GH2132 鐵基高溫合金和GH4169 鎳基高溫合金表面沉積了AlTiN 涂層，并進(jìn)行了高速干銑削試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)刀具與工件間存在元素相互擴(kuò)散，且發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，由此認(rèn)為在刀具磨損區(qū)域可能生成了Al2O3、TiO2、SiO2等氧化物薄膜，該氧化物薄膜有助于減緩刀具的磨損。為了進(jìn)一步分析WC 硬質(zhì)合金表面氮化物涂層的摩擦磨損特性，以及研究氮化物涂層對(duì)WC 硬質(zhì)合金刀具銑削性能的影響，本工作采用物理氣相沉積法(PVD)在WC 硬質(zhì)合金表面制備了TiN、CrN、TiAlN 3 種氮化物涂層，分析了WC 硬質(zhì)合金及3 種氮化物涂層的摩擦磨損特性，以45 鋼為被銑削材料，研究了WC 硬質(zhì)合金及3 種氮化物涂層刀具的銑削性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

以WC 硬質(zhì)合金作為基體，采用Inlenia 型涂層設(shè)備和物理氣相沉積法(PVD)分別制備TiN、CrN 和TiAlN 3 種涂層。沉積TiN 涂層時(shí)，通入N2氣體的流量為300～500 mL/min，壓力為3 Pa，工作溫度480 ℃，以電流100 A 引弧Ti 靶，偏壓50 V；沉積CrN 涂層時(shí)，引弧Cr 靶，其余參數(shù)與沉積TiN 涂層時(shí)的工藝參數(shù)相同；沉積TiAlN 涂層時(shí)，通入N2氣體的流量為300～500 mL/min，通入乙炔的流量為15 mL/min，壓力、工作溫度和偏壓分別為3 Pa，500 ℃和60 V，同時(shí)以150 A 引弧Ti 靶，以120 A 引弧Al 靶以生成TiAlN 涂層。

采用ZEISS Sigma 500 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD，Bruker D8 ADVANCE，Cu Kα)觀察分析基體及涂層的形貌和相組成。XRD 測(cè)試參數(shù)如下:掃描步長(zhǎng)0.05 (°)/s，掃描范圍25°～70°，加速電壓40 kV。采用HVS-1000A 型顯微硬度儀測(cè)量基體及涂層的顯微硬度，加載載荷為1.96 N，加載時(shí)間15 s。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，隨機(jī)對(duì)樣品的10 個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，取其平均值作為硬度值。

采用NANOVEA TRB 型萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試基體及涂層試樣的摩擦磨損性能。在室溫下選用線性往復(fù)模式進(jìn)行測(cè)試，對(duì)磨材料選用直徑為6.0 mm 的GCr15 軸承鋼球，磨痕長(zhǎng)度5 mm，載荷分別為10，20，30 N，對(duì)磨時(shí)間為15 min。

采用DMG CMX1100V 型加工中心機(jī)床進(jìn)行銑削試驗(yàn)，對(duì)WC 硬質(zhì)合金及其涂層銑刀進(jìn)行銑削性能對(duì)比分析。被銑削材料為45 鋼，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，進(jìn)給量為1 000 mm/min，切寬5%，切深10 mm。銑削時(shí)間分別為5 min 和10 min。采用SEM 觀察涂層形貌和銑刀磨損形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)

WC 硬質(zhì)合金基體和涂層形貌見圖1。

圖1 WC 硬質(zhì)合金基體和涂層形貌Fig.1 WC cemented carbide substrate and coating morphology

TiN、CrN 和TiAlN 3 種涂層的表面形貌如圖1a 所示，圖1a 中左邊方框內(nèi)為涂層，右邊為基體。觀察圖1a 可見，各涂層均勻地沉積在WC 硬質(zhì)合金基體材料上，TiN 涂層屬于立方晶系，呈現(xiàn)出金黃色；CrN 涂層呈現(xiàn)出銀灰色；TiAlN 涂層呈現(xiàn)出棕紫色；WC 基體為銀白色。3 種涂層的厚度均約為2 μm，其中TiAlN 涂層的截面形貌如圖1b 所示。圖1b 表明，TiAlN 涂層均勻緊密地沉積在WC 硬質(zhì)合金基體表面，呈現(xiàn)柱狀晶粒形態(tài)。

圖2 為WC 硬質(zhì)合金和涂層的XRD 譜。從圖2 中可以看出，由于涂層的厚度較薄，在3 種氮化物涂層試樣中均檢測(cè)到了WC 硬質(zhì)合金基體。TiN 涂層的(111)峰強(qiáng)度表明TiN 涂層中的(111)擇優(yōu)取向，根據(jù)能量最小化原理，這說明TiN 涂層的應(yīng)變能占主導(dǎo)地位。TiAlN 涂層為面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)[7]。相比TiN 涂層的峰，TiAlN 涂層多了明顯的TiAlN 峰，證明TiAlN 涂層中存在TiAlN，表明部分Al 原子取代了FCC 結(jié)構(gòu)中的Ti 原子[8-10]。TiAlN 涂層和CrN 涂層的峰強(qiáng)度較弱，無明顯擇優(yōu)取向。

圖2 WC 硬質(zhì)合金和涂層的XRD 譜Fig.2 XRD patterns of WC cemented carbide and coatings

2.2 顯微硬度測(cè)試

WC 硬質(zhì)合金及涂層的平均顯微硬度如圖3 所示。氮化物涂層對(duì)WC 硬質(zhì)合金表面硬度有顯著影響。氮化物涂層的平均硬度均高于基體的。TiAlN 涂層是3種涂層中硬度最高的，與硬質(zhì)合金基體相比，TiAlN 涂層的硬度增加了26.5%。這是由于相較于TiN 涂層，TiAlN 涂層中加入了Al 元素，Al3+取替了晶格中的Ti4+[8-10]，導(dǎo)致單位晶胞內(nèi)價(jià)電子密度下降，形成AlN相。Al 原子在TiN 相中使晶格收縮[10]，涂層產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力[11]，起到了固溶強(qiáng)化的作用，使得硬度顯著增加。

圖3 WC 硬質(zhì)合金和涂層的平均顯微硬度Fig.3 Average microhardness of WC cemented carbide and coatings

2.3 摩擦磨損性能

圖4 為WC 硬質(zhì)合金和涂層在10，20，30 N 載荷力下的摩擦系數(shù)。

圖4 WC 硬質(zhì)合金和涂層在10，20，30 N 載荷力下的摩擦系數(shù)Fig.4 Friction coefficients of WC cemented carbide and coatings under the loading forces of 10，20，30 N

將穩(wěn)定摩擦階段(磨損50 s 后)的摩擦系數(shù)作為該試驗(yàn)條件下的平均摩擦系數(shù)，圖5 為WC 硬質(zhì)合金和涂層的平均摩擦系數(shù)。WC 硬質(zhì)合金基體及涂層試樣在摩擦磨損性能測(cè)試試驗(yàn)中均經(jīng)歷了跑和和穩(wěn)定2 個(gè)階段。摩擦磨損時(shí)間從0 增加到50 s 時(shí)，WC 硬質(zhì)合金基體及涂層試樣的摩擦系數(shù)快速增大。這是由于在摩擦磨損初期，試樣表面的微凸體與對(duì)磨球GCr15 接觸，使得摩擦阻力急劇上升。隨著摩擦磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸表面逐漸光滑，摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 WC 硬質(zhì)合金和涂層的平均摩擦系數(shù)Fig.5 Average friction coefficient of WC cemented carbide and coatings

對(duì)于WC 硬質(zhì)合金基體，試樣表面的平均摩擦系數(shù)隨著載荷力的增加而減小，當(dāng)載荷力從10 N 增加到30 N 時(shí)，摩擦系數(shù)從0.6 降至0.4 左右。此外，從WC硬質(zhì)合金基體進(jìn)入穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)的變化情況可以看出，載荷力越大，WC 硬質(zhì)合金基體的摩擦系數(shù)波動(dòng)越小。這是因?yàn)楦咻d荷下，摩擦磨損過程中產(chǎn)生的磨屑被壓實(shí)，因磨屑引起的摩擦系數(shù)的波動(dòng)減小。

TiN 涂層試樣的摩擦系數(shù)出現(xiàn)快速上升后又明顯下降。這是由于在摩擦磨損過程中，局部高溫容易導(dǎo)致表面氧化生成TiO2[12]，生成的TiO2有助于潤(rùn)滑摩擦表面，降低了摩擦系數(shù)。隨著摩擦磨損繼續(xù)進(jìn)行，部分TiN 涂層的磨屑與基體發(fā)生了黏著，增大了磨痕處的表面粗糙度，因此，摩擦系數(shù)逐漸增大[5]。

CrN 涂層的摩擦系數(shù)隨載荷變化的規(guī)律不明顯。當(dāng)載荷在10～30 N 之間變化時(shí)，穩(wěn)定摩擦階段的摩擦系數(shù)在0.40～0.55 之間波動(dòng)。從圖5 可以看出，CrN 涂層的摩擦系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差最低，這是因?yàn)镃rN 涂層在摩擦?xí)r生成了Cr2O3[13]，Cr2O3相比TiN 涂層高溫氧化生成的TiO2更穩(wěn)定。

WC 硬質(zhì)合金、TiN 涂層、CrN 涂層的摩擦系數(shù)可能對(duì)應(yīng)于三者表面黏著物與對(duì)磨球GCr15 的摩擦系數(shù)，這與Kumar 等[14]發(fā)現(xiàn)對(duì)磨球材料轉(zhuǎn)移至涂層表面結(jié)果一致；而對(duì)于TiAlN 涂層，由于其具有較強(qiáng)的排屑能力，在摩擦磨損測(cè)試過程中涂層表面未出現(xiàn)明顯的對(duì)磨球GCr15 的轉(zhuǎn)移，所以TiAlN 涂層表現(xiàn)出來的摩擦系數(shù)為TiAlN 涂層與對(duì)磨球GCr15 對(duì)磨的摩擦系數(shù)。因此，TiAlN 涂層的平均摩擦系數(shù)最高。

在逐漸進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后，TiAlN 涂層的平均摩擦系數(shù)隨載荷力的增加而降低。這是由于TiAlN 涂層的顯微硬度最高，比對(duì)磨材料GCr15 的硬度要高得多，摩擦面屬于彈塑性接觸，摩擦系數(shù)與載荷力呈負(fù)相關(guān)，因此增加載荷力會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。

圖6 為WC 硬質(zhì)合金和涂層的磨損表面形貌。從圖6 可以看出，WC 硬質(zhì)合金表面磨損最嚴(yán)重，而氮化物涂層對(duì)WC 硬質(zhì)合金基體起到了良好的保護(hù)作用。從圖6a 放大圖中可以看出，WC 硬質(zhì)合金在GCr15 軸承鋼球的對(duì)磨作用下，產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形，并伴隨有較深的犁溝。因此，WC 硬質(zhì)合金的磨損機(jī)制為嚴(yán)重的磨粒磨損。對(duì)于TiN 涂層試樣(圖6b)，在犁溝邊緣有明顯的磨屑堆積，磨損軌跡內(nèi)有少量斷裂的碎屑。磨痕相對(duì)平整光滑，摩擦形成的少量氧化層有利于摩擦，所以TiN 涂層的摩擦系數(shù)較低。TiN 涂層的磨損機(jī)制是以磨粒磨損為主。在CrN 涂層試樣(圖6c)表面，存在明顯的犁溝、磨粒和氧化膜，這說明CrN 涂層的磨損機(jī)制為磨粒磨損和氧化磨損。Cr2O3比較疏松，無法阻止涂層內(nèi)部繼續(xù)氧化，因此CrN 涂層出現(xiàn)低摩擦高磨損現(xiàn)象。摩擦過程中，Cr2O3氧化層被碾壓，形成不連續(xù)的氧化膜層。散落在犁溝處的氧化膜與涂層的磨屑以第三體的形式對(duì)涂層造成了嚴(yán)重的破壞[6]。此外，還觀察到犁溝處存在大量深坑。電弧離子鍍沉積CrN 涂層時(shí)，靶材會(huì)因?yàn)榛」夥烹姸植咳廴谛纬晌⒚准?jí)的大顆粒。在CrN 涂層與GCr15 軸承鋼球的摩擦過程中，涂層表面大的Cr 液滴容易被GCr15 對(duì)磨球拖出，留下大的深坑。從圖6c 的局部放大圖來看，深坑直徑在1～10 μm 之間。

圖6 WC 硬質(zhì)合金和涂層的摩擦磨損形貌Fig.6 Frictional wear morphologies of WC cemented carbide and coatings

TiAlN 涂層在犁溝處有大量致密的Al2O3氧化層覆蓋，能夠有效防止涂層進(jìn)一步氧化[13]。從圖6d 局部放大圖可以看出，在TiAlN 涂層氧化層上的磨粒呈現(xiàn)為橢球體，可以在摩擦過程中有效分離對(duì)磨球與TiAlN 涂層，呈現(xiàn)出一種拋光磨損機(jī)制。TiAlN 涂層中的Al 元素提高了涂層的化學(xué)活性，使得涂層與對(duì)磨球的黏著力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致局部氧化層剝落。從磨損情況看，TiAlN 涂層的耐磨性能最好，這與硬度分析結(jié)果基本一致，說明涂層的高硬度是提高耐磨性能的主要原因。

2.4 刀具銑削性能

圖7 為WC 硬質(zhì)合金和涂層刀具在銑削5 min 后的微觀形貌。從刀尖局部放大圖(右側(cè))可以看出，銑削5 min 后，4 種試樣刀具的刀尖已經(jīng)發(fā)生了不同程度的磨損。

圖7 WC 硬質(zhì)合金和涂層刀具銑削5 min 后的微觀形貌Fig.7 Micro morphology of WC cemented carbide and coated tools after 5 min milling experiment

除了WC 硬質(zhì)合金刀具外，其余涂層刀具的刀刃沒有發(fā)生明顯磨損。WC 硬質(zhì)合金銑刀刀尖的磨損最嚴(yán)重，出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象，說明TiN 涂層、CrN 涂層和TiAlN 涂層均可以提高WC 硬質(zhì)合金刀具的耐磨性能，這與摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果一致。

TiAlN 涂層刀具刀尖處存在明顯的積屑瘤，這是因?yàn)門iAlN 涂層表面生成了Al2O3氧化層覆蓋刀尖部分。在銑削過程中，生成的氧化膜與45 鋼直接接觸，這可以很好地保護(hù)刀具[15]，提高刀具的銑削性能。另一方面，也說明TiAlN 涂層與WC 硬質(zhì)合金基體的結(jié)合性能好。從圖7d 可以看出，TiAlN 涂層的銑削加工性能最好。

圖8 為WC 硬質(zhì)合金和涂層刀具試樣銑削10 min后的微觀形貌。從圖8a 中可以看出，WC 硬質(zhì)合金銑刀刀尖處已經(jīng)出現(xiàn)大面積崩刃，說明刀具已經(jīng)嚴(yán)重磨損，不適宜進(jìn)一步銑削加工。TiN 涂層(圖8b)不僅刀尖處出現(xiàn)局部崩刃，沿刀刃方向也出現(xiàn)多處崩刃，后刀面處涂層也受到嚴(yán)重磨損破壞，露出WC 硬質(zhì)合金基體[16]。CrN涂層在刀尖處出現(xiàn)崩刃，后刀面出現(xiàn)涂層剝落和磨損，磨損情況好于TiN 涂層，說明TiN 涂層和CrN 涂層刀具在10 min 長(zhǎng)時(shí)間銑削加工后被磨損破壞嚴(yán)重，銑削加工性能變差。TiAlN 涂層試樣刀尖處沒有發(fā)現(xiàn)明顯崩刃，刀尖形狀相對(duì)完整，說明TiAlN 涂層表現(xiàn)出更好的銑削加工性能。在WC 硬質(zhì)合金和3 種氮化物涂層刀具切削10 min 后的刀尖均未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化膜或積屑瘤。這是因?yàn)殡S著切削時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)到10 min 時(shí)，3 種氮化物涂層都已經(jīng)發(fā)生了剝落[17]，無法繼續(xù)為刀具提供保護(hù)。

圖8 WC 硬質(zhì)合金和涂層刀具銑削10min 后的刀尖微觀形貌Fig.8 Micro morphology of WC cemented carbide and coated tools after 10 min milling experiment

圖9 為WC 硬質(zhì)合金和涂層刀具銑削10 min 后刀尖的EDS 面掃描結(jié)果。

圖9 WC 硬質(zhì)合金和涂層刀具銑削10 min 后刀尖的EDS 面掃描結(jié)果Fig.9 EDS surface scanning results of the tool tip with WC cemented carbide and coated tools after 10 min milling experiment

從圖9 中3 種氮化物涂層銑刀刀尖處氧元素的EDS 面掃描結(jié)果可以看出，3 種涂層試樣刀尖處及后刀面均出現(xiàn)不同程度的氧化。TiN 涂層試樣刀具表面的氧化膜可能是由于銑削時(shí)的高溫導(dǎo)致的。TiN 涂層試樣刀具表面的氧化膜并沒有發(fā)生剝落，說明TiN 涂層與WC 硬質(zhì)合金基體的結(jié)合性較好。盡管CrN 涂層也生成了少量氧化膜，但是涂層已經(jīng)出現(xiàn)明顯剝落，說明CrN涂層與WC 硬質(zhì)合金基體的結(jié)合性能不如TiN 涂層。

從圖9 中氧元素的EDS 面掃描結(jié)果可以看出，WC硬質(zhì)合金刀具、TiN 涂層刀具和CrN 涂層刀具3 種刀具表面均分布有較多的Fe 元素，說明三者的排屑能力較差，黏附相對(duì)較多的Fe 屑。而TiAlN 涂層表面的Fe 元素分布較少，說明TiAlN 涂層的排屑能力強(qiáng)，可以及時(shí)排出切屑，提高銑削性能，這與切削5 min 時(shí)TiAlN 涂層刀具光滑的后刀面結(jié)果一致(圖7d)。由于TiAlN 涂層的排屑能力強(qiáng)，在與GCr15 對(duì)磨球?qū)δr(shí)表現(xiàn)出的摩擦系數(shù)為涂層與對(duì)磨球GCr15 的摩擦系數(shù)，而其他涂層與對(duì)磨球GCr15 的對(duì)磨過程中存在著磨屑的影響，因此，摩擦磨損試驗(yàn)中TiAlN 涂層的摩擦系數(shù)比WC 硬質(zhì)合金和其他氮化物涂層的要高(圖4d)。以上結(jié)果均表明，TiAlN 涂層的耐磨性能和結(jié)合性均較好，有助于提高刀具的銑削加工性能。

3 結(jié) 論

(1)TiN、CrN 和TiAlN 3 種氮化物涂層均有助于提高WC 硬質(zhì)合金表面的硬度。其中TiAlN 涂層的硬度最高，相較于WC 硬質(zhì)合金基體，TiAlN 涂層的硬度提高了26.5%。

(2)TiN、CrN 和TiAlN 3 種氮化物涂層的摩擦磨損均以磨粒磨損為主，相較于WC 硬質(zhì)合金，耐磨性能均有提高。由于Al 元素的加入，TiAlN 涂層在摩擦?xí)r生成了Al2O3，可以作為固體潤(rùn)滑劑，使得TiAlN 涂層的耐磨性能最好。

(3)在銑削加工過程中，TiAlN 涂層的高硬度，以及在銑削加工過程中生成的氧化膜的保護(hù)作用，能有效降低刀具的磨損破壞，使得TiAlN 涂層刀具表現(xiàn)出良好的耐磨性能和較強(qiáng)的排屑能力，銑削加工性能最優(yōu)。