表面处理复合涂层的摩擦学评价方法

收稿日期:2005-05-08

作者简介:庞国星(1963—),男,博士研究生,从事材料工程教学与科研工作1E 2mail:panglfht@1631com 1

表面处理复合涂层的摩擦学评价方法

庞国星

1,2

　陈华辉

1

(11中国矿业大学(北京校区)材料工程系　北京100083;21北华航天工业学院材料工程系　河北廊坊065000)

摘要:从涂层的摩擦学评价的重要参数、涂层与基体间的粘合力、涂层力学性能、涂层的摩擦学特性以及涂层零件的摩擦学特性等方面介绍了金属切削刀具和模具等工件的复合涂层的摩擦学涂层的评价方法,指出了在轻合金涂层材料、低摩擦因数的涂层、涂层韧性的改进、涂层磨损试验方法、涂层设计和评价的工具等方面需要进一步研究。

关键词:涂层;摩擦学;涂层评价

中图分类号:T H11711　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2006)3-163-3

Eva lua ti on M ethods of Tri bolog i ca l Perfor mance for Co m posite

Coa ti n g of Surface Trea t ment

P a ng Guo xi ng

1,2

　C he n Hua hu i

1

(1.Depart m ent ofM aterial Engineering,China University ofM ining Technol ogy,Beijing 100083,China;

2.Depart m ent ofM aterial Engineering,North China I nstitute of A str onautic Engineering,Langfang Hebei 065000,China )Abstract:Evaluati on methods of tribological perfor mance for composite coating of surface treat ment used in metal

cutting t ools and molds etc .workp iece were intr oduced fro m i mportant parameters of evaluati on methods of tribol ogical coating,binding force bet ween the coating and the base,mechanical p roperties of coatings,tribological characteristic of coating,tribol ogical characteristic of coated workp iece,and the further research directions were pointed out for coating material of light all oy,l ow fricti on coefficient coating,i mp r ovement of coating toughness,wear test method,tools for designing and evaluating coatings etc .

Keywords:coating;tribol ogy;evaluation on coating

　瑞典的Sandvik 公司在1969年引入了第一例摩擦学CVD 涂层(Ti C )用于硬质合金刀具,在1970年引入PVD 涂层(Ti N )用于高速钢刀具,目前这两类涂层仍被认为是最好的摩擦学涂层。现代摩擦学领域应用的涂层仍然主要是用在切削刀具上。在刀具的发展中,有两类倾向值得注意即干切削和高速切削淬硬钢。这两类切削都要求切削刀具具有高的热硬性和化学稳定性等,这些都可以依靠表面处理的发展来解决。

把摩擦学涂层应用于成形工具和机械零件上目前仍处于初级阶段,而成形工具和机械零件在工业中比切削刀具占的份额要大得多。但下列原因阻碍了表面处理在成形工具和机械零件上的应用:(1)很多成形工具和机械零件的尺寸较大,用目前的处理工艺不太经济;(2)多数成形工具和机械零件的基体材料不能经受目前表面处理工艺的沉积温度;(3)成形工具和机械零件的形状较复杂,有一些窄槽难以处理获

得涂层;(4)目前表面处理的成本较高。在成形工

具和机械零件领域中,有发展前途的表面涂层工艺是:用等离子辅助P VD 工艺生产双层涂层;功能性的PVD 涂层,Cr N 或Ti N ;低摩擦因数的DLC 或WC /C 涂层。

汽车工业的发展也会促进表面工程的应用。汽车工业对材料的要求是逐渐用轻合金(铝、镁、钛等合金)代替钢铁制工件以降低汽车的质量来减少油耗。如果把薄的耐磨涂层应用于相对较软的基体材料上,则需要提供支撑层以提高承载能力。化学镀镍、镀硬铬、激光熔覆、热喷涂、氮化、渗碳等都可以作为这种支撑层。对支撑层设计的主要参数是涂层的厚度和其弹性模量,设计的主要目标是避免塑性变形和减少弹性变形。附加的低硬度的、减摩涂层也可以应用于耐磨PVD 涂层的顶部。这一减摩涂层可以起到分散载荷、降低应力,以保证平稳磨损的作用。现代的PVD 或CVD 涂层材料是多重的复合材料。1　复合涂层材料的摩擦学评价111　重要参数

在设计和使用摩擦学涂层时考虑所有性能是不现实的,因此这里仅讨论一些重要的参数。

2006年3月

第3期(总第175期)

润滑与密封

LUBR I CATI O N ENGI N EER I N G

Mar 12006

No 13(serial No 1175)

　在使用气相沉积处理工艺时,气相沉积参数(基体温度、离子特性、刻蚀时间、基体偏压等)与基体材料特性(如基体材料的化学成分、显微组织和形貌等)决定着涂层特性(如厚度、化学成分、显微组织和形貌等)。基体材料和表面预处理对涂层与基体间的结合力、涂层成分和形貌有重要影响。涂层特性控制着涂层的化学、热学和机械性能等基本性能。涂层的摩擦学特性是指涂层抵抗由于变形、磨损、腐蚀、冲击等引起损伤的能力。这些摩擦学特性由涂层的基本特性所决定。因为一般涂层非常薄,所以涂层的摩擦学特性受基体的影响也比较大。在实际应用中的零件涂层的摩擦学特征可由其涂层摩擦学特性与实际工作条件(如零件几何形状、接触压力、滑动速度、温度、润滑条件等)进行综合考虑。

作为摩擦学涂层的研发人员通常是考虑涂层的特性,而用户主要考虑涂层实际应用时的摩擦学特征。这些特性相互联系,对理解复合涂层的特性是有益的。由于对涂层的要求不同,很多重要的参数随使用条件不同而变化。

112　涂层与基体间的粘合力

很明显,涂层与基体间的粘合力是涂层零件使用的最重要的参数。任何对这一粘合力的测试必须对涂层/基体界面施加外部应力场以引起可测量的粘结失效。由于这些应力场取决于几何形状和载荷类型(压入、擦伤、滑动、磨损、冲击等)以及涂层和基体的弹性、塑性参数。最终的粘结强度值应以特定条件下测定的值为代表。

由于测试条件与涂层实际使用条件的不同,在使用实验测试所得的值时应慎重。事实上,由于上述参数关系的复杂性,很难找到一种理论来预测实际存在的粘结力。评价涂层与基体实际粘结力的最好的方法是进行模拟实际条件的磨损实验。这一实验可以显示载荷对粘结力的影响,了解磨损损伤的机制。

113　涂层的力学性能

涂层的基本性能如涂层厚度、化学成分、结构、形貌等都可以由现代图像和分析技术来测定。PVD 或CVD涂层材料可以由SE M容易地进行分析。涂层一些需要测定的力学性能如下。

11311　弹性模量

涂层的弹性模量是一个非常有用的参数,例如可以用弹性模量来测定和计算复合涂层的应力状态、裂纹和分层行为等。通过一系列的方法,如单轴拉伸等可以测定涂层的弹性模量。薄涂层的固有弹性模量也可以由纳米压痕机、振动簧片测试、凸起测试、光束弯曲测试、超声波等方法来测定。

11312　残余应力

PVD或CVD涂层中通常存在残余应力。涂层在形核和长大过程中的不匹配及在生长过程中受离子轰击的影响是应力产生的内因。由于涂层和基体间热膨胀系数的不同,使在由沉积温度冷却至室温时也形成应力;另外,冷却过程中,相变的发生也是形成应力的外因。涂层中的应力可以导致涂层的撕开。残余应力可以由X-射线衍射法测量。

11313　硬度

涂层的研发人员经常用硬度测试来评价涂层的质量并预测其应用的特性,但是涂层硬度的重要性不能夸大。一般在纯二体磨粒磨损下,耐磨性与工件和磨料的硬度紧密相关。经PVD或CVD处理获得的涂层的硬度较高,其硬度可以由显微硬度计直接测定。在用显微硬度计测定硬度时,压痕的深度不能超过涂层厚度的10%。采用维氏硬度计测量时,一般要求涂层厚度大于5μm。最近10年中,纳米压痕机已成为测定薄涂层机械性能的决定性的技术。

11314　韧性

涂层裂纹和断裂经常会导致PVD或CVD涂层的损伤。保证复合涂层在拉伸和压缩中不变形和开裂是非常重要的。已有研究者采用光束弯曲试验来评价涂层的变形能力从而获得其韧性的估计。

114　摩擦学特性

11411　抗擦伤能力

擦伤试验和硬度测量两者已经成为评价复合涂层质量的最主要的方法。通常擦伤试验是用洛氏硬度计压头的金刚石尖(半径约为200μm)进行。在测试的过程中,尖部施加的载荷是连续增加的并且涂层失效的临界载荷可以探测到。涂层失效的标准是在界面处出现第一条裂纹,失效由摩擦和声发射记录,再由光学显微镜或SE M确认结果。擦伤试验可以得出涂层不同失效模式的详细信息。借助SE M,通过研究擦伤试验的样品可以得到对涂层较多的了解。对评价滑动磨损,作用于洛氏硬度计压头———金刚石尖的载荷为30N是足够的。对高速钢的PVD涂层经常采用60～70N的载荷。应该指出,随涂层厚度和基体硬度的增加,临界载荷应增加;但随工件表面粗糙度的增加,临界载荷应降低。

11412　耐磨料磨损性

在中度磨损的情况下,涂层材料将决定复合涂层的耐磨性。标准耐磨实验中使用的磨料对评价薄涂层显得太粗糙了。一些学者已经制造了一些显微磨粒磨损的装置,可以区分出涂层和基体的磨损。除了涂层和基体的磨损试验,通过观察磨损形成的凹坑,也可以观察到涂层中的气孔、裂纹等缺陷。

11413　耐粒子冲蚀磨损

工件表面由冲击粒子引起的损伤称为冲蚀磨损。工件表面的耐冲蚀磨损需要硬度和韧性的匹配性,并

461润滑与密封总第175期