CrAlN涂层刀具的摩擦学研究进展

CrAlN涂层刀具的摩擦学研究进展潘永智艾兴赵军宋清华李彬(山东大学机械工程学院,济南250061)摘要：CrAlN涂层刀具具有高的硬度、耐磨性、优异的耐氧化性能、低摩擦系数和热导率等优良特性，有望替代TiAlN涂层刀具用于淬硬合金钢、钛合金及镍基合金的高速切削加工。综述了CrAlN涂层刀具的现状、CrAlN刀具涂层工艺,探讨了CrAlN涂层刀具的摩擦磨损特性及机理，指出了制备多元多层、梯度涂层和纳米超晶格涂层是今后发展的方向。关键词：CrAlN；涂层刀具；摩擦磨损；高速切削ProgressinthetribologyofCrAlNcoatedtoolPanYongzhi,AiXing,ZhaoJun,SongQinghua,LiBin(SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)Abstract:Asthehigherhardnessandwearresistance,thesuperioroxidationresistance,thelowerfrictioncoefficientandthermalconductivity,theCrAlNcoatedtoolhasabigpotentialabilitytobeappliedinhighspeedmachiningofquenchalloysteel,titaniumalloyandnickelbasedalloyinsteadofTiAlNcoatedtool.ThepresentstatusofCrAlNcoatedtoolandthepreparationtechnologiesofCrAlNcoatedtoolwerereviewed.ThetribologicalpropertiesandwearmechanismsofCrAlNcoatedtoolwereexplored.Itisnowpossibletodesignmulti-componentormultilayercoatings,gradedcoatingsandnanoscalemultilayeredsuperlatticecoatings.Keywords:CrAlN;coatedtool;tribology;high-speedmachining国家自然科学基金(50575126)潘永智(1977—)，博士生。E-mail：[e-mail]自上世纪80年代初TiN涂层商业化以来，应用各种物理气相沉积（PVD）技术制备的刀具涂层在很大程度上改善了高速钢和硬质合金刀具性能，使之具有高耐磨性、高强度、高硬度和低的摩擦系数，TiN、TiCN和TiAlN等Ti化合物成为刀具涂层的事实上的工业标准。TiAlN涂层中的Al元素与空气中的O反应生成Al2O3层[1]，起到热障作用，阻止更多的切削热导入刀具，从而延长刀具寿命。TiAlN涂层刀具拥有比TiN、TiCN涂层刀具更佳的力学性能和高温氧化性能，被应用于高合金钢、不锈钢乃至钛合金和镍基高温合金的切削加工。然而高速切削钛合金和镍基合金等难加工材料时，切削温度高达1000℃以上[2]，远高于TiAlN涂层刀具的氧化温度（热稳定温度800℃），此时Ti元素易形成多孔非保护性的沉积物[3]，热硬度明显下降，刀具因急剧磨损而失效；且TiAlN涂层是含Ti涂层，在高速切削高温高压作用下，易与Ti合金工件发生粘结和扩散磨损。1CrAlN涂层刀具研究状况与Ti基涂层相比较，Cr基涂层的氧化性能、耐腐蚀性能和抗粘结性能、韧性都很优越，在金属成形、塑料注模和高速切削等领域得到了广泛应用[4]。特别是CrAlN涂层刀具，其显微硬度、氧化温度分别高达3200HV和1100℃远高于TiAlN涂层刀具的3000HV和800℃，而CrAlN涂层的导热系数和摩擦系数均小于TiAlN。如表1所示（数据来源于Balzers涂层有限公司）。通过PVD方法进行CrAlN涂层时，Cr-Al-N涂层体系可以容纳更多的Al（高达75%）并保持稳定的立方晶格结构，而Ti-Al-N体系只能容纳65%的Al[5]。高速切削时，CrAlN涂层刀具中的Cr、Al元素与空气中的O反应形成Al2O3和Cr2O3氧化膜[6]，起到抑制氧化、耐磨及隔热作用，使更多的热量通过切屑带走，降低了刀具体温度。因此在难加工材料的高速切削领域有望代替TiAlN涂层刀具，具有广阔的应用前景。表1几种涂层的物理力学性能Table1Thephysicalandmechanicalpropertiesofseveralcoatings涂层硬度HV氧化温度℃热导率Wm/K摩擦系数TiN2300600270.4CrN1750700-0.5TiAlN300080050.4CrAlN3200110040.352CrAlN涂层工艺CrAlN涂层刀具基体通常选用高速钢或硬质合金。高速钢或硬质合金合金基体具有高强度和高韧性，CrAlN涂层高硬耐磨、耐氧化及热障作用，综合各自优点就可开发出切削性能优异的CrAlN涂层刀具。涂层成分能否在涂层刀具上发挥其应有的作用，在很大程度上取决于涂层工艺，因为涂层/基体的界面结合强度、涂层微观组织结构、晶粒择优取向、各单元涂层的厚度及总厚度等是决定涂层刀具性能的重要因素，这些因素都与涂层工艺直接有关。可采用多种PVD涂层方法来制备不同结构特性的CrAlN涂层刀具，如阴极弧离子镀[4,7,8]、、直流/交流反应磁控溅射[9-10]、脉冲闭合场费平衡磁控溅射[11]等。不同的PVD涂层方法的能量的大小和激发方式不同、真空度、气氛环境和沉积温度不尽相同，但存在共同的基本工艺参数：Al含量(即AlAl+Cr原子比)。基体负偏压、电弧电流、磁场强度、N2分压等都会对Cr1-xAlxN涂层成分产生影响。提高Al含量，能较大程度地提高涂层/基体界面结合力、涂层硬度、耐磨性和氧化性能。纯CrN涂层具有面心立方晶格的晶体结构fcc-CrN，AlN为密堆六方晶格结构hcp-AlN。当CrAlN涂层中Al含量较少时，Al作为间隙元素置换一部分的Cr，AlN晶格结构为fcc-AlN；当Al含量达到某一定值时，fcc-AlN转变为较软的hcp-AlN，hcp-AlN具有绝缘特性，将导致沉积过程中断[12]。因此控制Al含量是决定CrAlN涂层性能优劣的关键。3CrAlN涂层刀具的摩擦磨损刀具/切屑、刀具/工件间的摩擦系数和磨损（磨损量、磨损速率）是描述一个摩擦学系统摩擦特性的变量。影响涂层刀具摩擦磨损的影响因素除了切削条件、刀具几何参数、切削介质外，还与基体材料、涂层结构和应用类型有关。目前对CrAlN涂层摩擦磨损的研究主要通过低速低载荷下的销-盘式、球-盘式或环-块式摩擦磨损实验进行。通过对比AlN、CrN和CrAlN涂层与Al2O3的干摩擦行为发现，AlN涂层磨损最剧烈，以粘结磨损为主；CrN和CrAlN涂层以粘结磨损和摩擦氧化为主，硬的氧化颗粒Al2O3和Cr2O3致使涂层产生微切削作用。CrAlN涂层优异物理力学性能使其粘结磨损程度最小，如图1[13]。距离(m)摩擦系数μ图1涂层的摩擦行为（与Al2O3配合）Fig.1FrictionbehaviorofthecoatingsagainstAl2O3图2[8]示出了洛氏硬度（A标尺）压痕实验中，588N正压力下CrN涂层和CrAlN涂层的表面形貌，CrN涂层呈现片状剥落，而CrAlN涂层未出涂层剥落现象。原因是间隙Al改善了CrN涂层的硬度和韧性。随着Al含量增加，CrAlN涂层硬度先升高后降低而磨损速率先低后高；当Al含量为0.71时CrAlN涂层有最高的硬度和最低的磨损率。当Al含量为0.83时，由于涂层过程中生成较软的hcp-AlN相，涂层性能弱化导致硬度降低、磨损上升，如图3[4]所示。图2压痕试验表面形貌SEM照片Fig.2SEMimageofsurfacemorphologyofindentationtestAl含量磨粒磨损速率(m3/mN1015)HUpl(N/mm2)图3不同Al1-xCrxN涂层的显微硬度和磨损速率Fig.3MicrohardnessandabrasivewearrateofvariousAl1-xCrxNcoatings.采用多层涂层，引入界面层能有效提高基体与涂层/基体的结合强度，减小内应力，抑制摩擦裂纹的扩展和蔓延，引导裂纹沿涂层界面方向扩展，减小涂层剥落[14]，如图4所示。CrAlN基体CrAlN基体CrAlN图4单层和多层CrAlN涂层裂纹扩展结构示意图Fig.4SchematicrepresentationoffissurepropagationinsinglelayerandmultilayerCrAlNcoatings涂层刀具的磨损特性与均质刀具不同，除了受切削条件、环境介质和刀具几何参数的影响，还受涂层/基体界面结合强度、刀具/工件匹配的影响。如图5所示，涂层刀具的磨损形式除了均质刀具常见的后刀面磨损A、边界磨损B、横向裂纹D和前刀面月牙洼磨损E外，还有涂层刀具特有的梳状裂纹C和涂层剥落。后刀面负倒棱前刀面图5不同的刀具磨损机理Fig.5Thedifferenttoolwearmechanisms.涂层刀具在高速切削尤其是断续铣削时产生的热力耦合强场作用下，涂层内部、涂层与基体间产生较大的残余应力，切削刃附近产生热塑性变形，冷却后变形区产生热裂纹，热力耦合作用使裂纹生长成梳状裂纹，刀具基体和工件直接接触，切屑挤压在梳状裂纹中，发生扩散和溶解磨损，加速裂纹扩展，最终导致崩刃和涂层剥落[15]，如图6所示。图6充满工件材料的梳状裂纹Fig.6Combcrackfilledwithworkmaterial.图7示出了相同工艺条件下制备的CrAlN和TiAlN硬质合金涂层刀具高速铣削淬硬工具钢时后刀面磨损情况。磨损速度从大到小的顺序是：TiN(CrN)TiAlN-1TiAlN-2CrAlN-1CrAlN-2CrAlN涂层刀具的磨损速率小于TiAlN，原因是CrAlN涂层的摩擦系数更小、耐磨性更好、韧性更高、高温氧化性更优。CrAlN-1和CrAlN-2磨损量差异源于两涂层中Al含量的不同[16]。切削长度L(m)后刀面磨损量VBmax(mm)图7不同涂层立铣刀在总切削长度上的后刀面磨损量Fig.7Dependenceoftheflankwearofdifferentcoatedend-millsonthetotalcuttinglength4存在的问题鉴于CrN和CrAlN涂层优良的高温力学性能、抗氧化性和耐腐蚀性，其作为高速切削刀具涂层材料具有很大潜力。目前CrAlN涂层刀具研究中存在的问题主要集中在以下方面:1)商业化CrN、CrAlN涂层刀具仍以单涂层为主，对于多层涂层如TiN/CrAlN、CrN/CrAlN、CrN/AlN研究不多，尤其对梯度涂层和纳米超晶格涂层的研究更少。2)对于CrAlN涂层刀具与工件性能匹配的研究较少。CrAlN涂层刀具加工Ti合金和镍基高温合金时，在高温作用下涂层表面产生Al2O3和Cr2O3氧化膜，耐磨损、隔热屏障作用比TiAlN涂层更优，目前对CrAlN涂层刀具加工高温合金相关研究很少，如刀具寿命、切削力、切削热、工件表面质量等。4)对CrAlN涂层刀具摩擦磨损特性和机理的研究仍以低速低载摩擦试验和普通切削试验相结合的方法进行，而低速摩擦试验与切削时高温高压高应变的条件迥异，所以所测得的摩擦系数、刀具磨损量、磨损速率与高速切削时相差很大；得到的摩擦磨损特性与刀具寿命之间相互矛盾的结论，还没有建立其切削条件与刀具摩擦磨损特性之间的关系模型。5CrAlN涂层刀具的发展趋势PVD涂层技术和高速切削加工技术的发展对Cr基涂层的硬度、界面结合强度、耐磨性、耐高温氧化性提出了更高要求，单层CrAlN涂层难以满足加工要求，促使CrAlN涂层技术向多元涂层、多层涂