MDT涂層高溫滑動摩擦特性試驗研究分析

TiAlN涂層具有耐磨性好、硬度高以及抗高溫氧化性好等優(yōu)勢，是應(yīng)用非常廣泛的涂層材料。有關(guān)該涂層材料的研究主要包括TiAlN涂層力學(xué)性能、TiAlN涂層切削加工磨損形式、TiAlN涂層的摩擦磨損性能等方面。

鎳鉻合金具有出色的耐腐蝕、耐高溫等性能和較高的強度，但鎳鉻合金的可加工性差，給機械加工及質(zhì)量控制帶來極大困難，因此，研究與工件材料相匹配的刀具表面涂層對于大幅提高加工效率、改善加工表面質(zhì)量具有重要意義。

本文將會以鎳鉻合金為對摩材料，對TiAlN涂層的摩擦磨損性能進行了研究，重點分析了兩種不同制備工藝對其摩擦性能的影響。

1試驗方法

試驗材料為兩種涂層工藝制備的TiAlN涂層刀片，以刀片的一個刀尖作為摩擦試驗中的銷。一種TiAlN涂層采用傳統(tǒng)電弧離子鍍涂覆(1#)；另一種TiAlN涂層采用“劈裂電弧”(MDT)涂層工藝(2#)。對摩材料為鎳鉻合金Ni55Cr22，屈服強度≥860MPa。將鎳鉻合金制作成8mm×Φ44mm的盤，使TiAlN涂層刀尖和鎳鉻合金盤組成銷—盤式摩擦副。

在MS-W6000型高溫摩擦試驗機上進行試驗。試驗溫度為25℃、300℃和600℃，摩擦?xí)r間為12min，載荷為1.6kg。試驗結(jié)束后用JSM-5900LV掃描電鏡對涂層刀片的摩擦痕跡進行形貌觀察和能譜分析。

2試驗結(jié)果與分析

(1)摩擦力

圖1為不同摩擦溫度時兩種涂層材料獲得的摩擦力對比情況。由圖可以看出，在室溫(25℃)時，當(dāng)銷為MDT工藝制備的TiAlN涂層刀片時，摩擦力波動幅度較大；隨著摩擦?xí)r間的增加，摩擦力表現(xiàn)為先增大后趨于平穩(wěn)(5.1N)；當(dāng)銷采用1#TiAlN涂層刀片時，得到的摩擦力隨著時間的增加總體表現(xiàn)平穩(wěn)(穩(wěn)定值6.5N)，趨于水平直線。

當(dāng)試驗溫度由室溫增大到300℃和600℃時，兩種材料得到的摩擦力均呈逐漸減小的趨勢。由圖1b可知，在旋轉(zhuǎn)摩擦過程中，1#涂層刀具獲得的摩擦力從室溫時的6.5N左右下降為300℃時的5N左右；繼續(xù)升高為600℃時，摩擦力保持在4.5N左右。而2#涂層刀具獲得的摩擦力呈勻速減小，由室溫時的5.1N減小為300℃時的4.9N，300℃時摩擦力為4.3N。所以，從摩擦力的變化趨勢來看，當(dāng)試驗溫度逐步升高時，2#涂層刀具的摩擦過程較為平穩(wěn)，而1#涂層刀具受試驗溫度的影響較大，這種差異可能與溫度升高過程中兩種涂層刀具的表面摩擦磨損有關(guān)。



(a)1#



(b)2#

圖1 不同摩擦溫度下兩種涂層刀片獲得的摩擦力對比

(2)摩擦系數(shù)

不同摩擦溫度時兩種摩擦副獲得的摩擦系數(shù)變化趨勢如圖2所示。



(a)1#



(b)2#

圖2 不同摩擦溫度下兩種涂層刀片獲得的摩擦系數(shù)對比

如圖所示，在旋轉(zhuǎn)摩擦過程中，兩種涂層材料獲得的摩擦系數(shù)變化與其摩擦力的變化類似。當(dāng)試驗溫度從室溫25℃升高到300℃時，兩種涂層材料的摩擦系數(shù)均大幅減小，減小值約為0.3；在600℃時，摩擦系數(shù)均穩(wěn)定在0.28左右。因此，1#和2#兩種涂層材料的摩擦系數(shù)在高溫條件下變化較小，這表明在高溫下兩種涂層的表面磨損較為穩(wěn)定，摩擦磨損表面處于穩(wěn)定狀態(tài)。在常溫下，1#涂層材料的摩擦系數(shù)較大，顯示其表面磨損比2#涂層表面磨損嚴重。在室溫狀態(tài)下，刀具涂層工藝所決定的涂層粗糙度、涂層缺陷及涂層致密度等物理化學(xué)特性對摩擦系數(shù)的影響較大；在高溫狀態(tài)下，300℃和600℃兩者摩擦系數(shù)相差不大，說明工件材料略有變化，材料軟化造成摩擦副摩擦系數(shù)明顯降低，刀具涂層對摩擦副摩擦系數(shù)影響力明顯降低。因此可以得出，在有冷卻液參與的斷續(xù)加工工況時，摩擦副升溫過程中，1#的磨損率高于2#。

(3)磨損機理

圖3和圖4分別為1#和2#兩種涂層刀具在不同試驗溫度下獲得的摩擦磨損表面形貌和能譜圖。由圖3可見，1#和2#兩種涂層在室溫時均發(fā)生了嚴重的磨損，其中1#涂層摩擦區(qū)存在大量片狀碎屑和寬裂紋，2#涂層摩擦區(qū)存在細小的碎屑和裂紋。這表明在干式旋轉(zhuǎn)摩擦過程中，刀具表面的TiAlN涂層遭到嚴重破壞，1#和2#兩種制備工藝對該涂層的耐磨性的影響有較大差別。室溫時，1#涂層耐磨性較差，其摩擦系數(shù)較大。

當(dāng)試驗溫度升高至300℃時，2#刀具表面涂層出現(xiàn)了嚴重的剝落和粘結(jié)現(xiàn)象，摩擦區(qū)中部主要為Ni、Cr和Fe元素(見圖4d)，這些元素來自于摩擦副材料鎳鉻合金，摩擦區(qū)兩側(cè)主要為Ti和Al。1#刀具的摩擦區(qū)磨損較為平穩(wěn)，由圖4c能譜分析結(jié)果可知該區(qū)域的元素分布，中部為Ni、Cr和Fe，兩側(cè)為Ti和Al。這表明在旋轉(zhuǎn)摩擦過程中，1#刀具摩擦區(qū)主要為粘結(jié)，TiAlN涂層沒有遭到破壞。當(dāng)試驗溫度達到600℃時，兩種涂層刀具的摩擦區(qū)表面均較為平整(見圖3e和圖3f)。根據(jù)圖4e和圖4f可知，摩擦區(qū)中部的主要元素為W，該元素來自于刀具基體材料，顯示出兩種刀具表面的涂層已被磨損掉。



(a)1#(25℃)



(b)2#(25℃)



(c)1#(300℃)



(d)2#(300℃)



(e)1#(600℃)



(f)2#(600℃)



圖3 不同溫度時兩種涂層刀片獲得的銷試樣摩擦表面形貌對比

(a)1#(25℃)



(b)2#(25℃)



(c)1#(300℃)



(d)2#(300℃)



(e)1#(600℃)



(f)2#(600℃)

圖4 不同溫度時兩種涂層刀片獲得的

銷試樣摩擦表面能譜分析對比圖4中，線掃描獲得的微量元素和顏色之間的對應(yīng)關(guān)系為：Ti—綠；Al—淺綠；Fe—藍；Ni—紫；Cr—淺藍；W—粉紅；C—紅；O—黃。

由圖4可知：從磨損程度來看，2#涂層在室溫時的摩擦性能更好；300℃試驗條件下，兩種涂層磨損程度相當(dāng)；600℃試驗條件下，2#涂層的耐磨性優(yōu)于1#涂層。造成兩種TiAlN涂層耐磨性差異較大的原因是：2#涂層采用“劈列電弧”離子鍍工藝，“劈列電弧”離子鍍沉積的TiAlN涂層表面大顆粒明顯少于傳統(tǒng)電弧，表面更加光滑。由于“劈列電弧”可以產(chǎn)生高密度的等離子，所以其制備的涂層表面更加光滑，顯微結(jié)構(gòu)更緊密，涂層硬度相對較高。

結(jié)論

(1)研究結(jié)果說明，在室溫時，2#涂層的摩擦性能更好；在高溫條件下，1#和2#兩種涂層刀具的摩擦性能趨于一致，但2#涂層的穩(wěn)定性較好。
(2)刀具涂層工藝所決定的涂層粗糙度、涂層缺陷及涂層致密度等物理化學(xué)特性對摩擦系數(shù)的影響較大；在高溫狀態(tài)下，300℃和600℃兩者摩擦系數(shù)相差不大，說明工件材料略有軟化，材料軟化造成摩擦副摩擦系數(shù)明顯降低。
(3)“劈列電弧”離子鍍沉積的TiAlN涂層質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)電弧。