切削刀具多层涂层的力学特性

根据报道切削过程中，刀具承受的切削力达 2～3GPa，切削温度高达 900～1 100

℃

，而

切削速度通常在每分钟几十米到几百米的数量级范围内，因此在高压、高温和高速下工作

的切削刀具的摩擦磨损问题很严重。

硬质涂层在改善切削性能和延长刀具寿命方面起重要作用。迄今研究最多的是 TiN 涂层，
它具有高硬度、低摩擦和良好的化学稳定性。与 TiN 涂层相比，Ti(C, N)涂层具有更好的抗
粘着能力和抗热磨损性能。耐磨涂层除了应具有较低的摩擦系数外，还必须有很高的显微
硬度、高的韧性以及与基体的附着力。通过引入定数量平行于基体的中间过渡层能提高涂
层刀具的韧性和硬度，防止裂纹萌生。对 TiN 系多层涂层研究表明，它比单一涂层具有更
好的摩擦学性能。Su 等对多层 TiN/Ti(C, N)涂层刀具的抗磨性能和切削性能的研究表明其
比单层涂层的性能好。涂层的抗磨损性能和可靠性常常受制于其力学特性。由于膜、界面和
基体之间的交互作用，对涂层的力学性能进行评定有定的困难．纳米硬度计的出现使得
人们能从微观尺度(纳米级)史深入地了解涂层的力学特性．本文作者利用纳米硬度计对 4
种涂层的变形、失效和耐磨性进行分析比较。

试验方法

试验装置

试验装置由瑞士 CSEM 仪器公司生产，该系统由纳米硬度计(NHT)和原子力显微镜
(AFM)2 部分组成，并装各了光学显微镜附件。压头和对样品进行选位以及观察压痕的光
学显微镜等元件由机电定位系统控制，垂直力向的位移分辨率为 µm。通过安装在由导向
弹簧支撑的压杆上的电磁线圈产生的电磁力对压杆施加载荷，压头为标准维氏金刚石压
头。用电容传感器测量压杆的位移。整个系统的载荷和压入深度分辨率分别为 10µN 和
1nm。在加载和卸载过程中，通过始终与待测样品表面保持接触的蓝宝石环使压头与样品

表面实现垂直力向的精确定位。

试验样品

采用 CVD 技术在硬质合金基体上制备 TiN、TiN/Ti(C, N)/TiC、TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C,
N)/TiC 和 TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC 等 4 种耐磨涂层．用
99.50%H2、99.99%N2、99.99%CH4、99.50%CO2、化学纯 TiCl4 和 AlCl3 等原料，将硬质合金
基体经钝化处理、清洗、装炉和升温后，沉积 CVD 涂层并冷却，即制得待测涂层样品。4
种涂层的厚度分别为 4.0µm 、 1.5µm/1.0µm/1.5µm 、 1.5µm/1.0µm/1.5µm/1.0µm/1.5µm 和
1.5µm/1.0µm/1.0µm/1.0µm/1.5µm/1.0µm/1.5µm。

试验结果与讨论

力学性能

利用纳米硬度计对 4 种涂层进行压痕试验，得到在加载与卸载过程中载荷与压入深度
的关系曲线。E 为弹性模量，HV 为涂层的维氏硬度值，根据 Oliver 等的方法确定。该方法
除了考虑卸载曲线外，还考虑了压头形状和压入深度来计算受载下的接触面积，硬度被
视作卸载过程中材料承受的平均压力。多层涂层的承载能力优于单层涂层。Li 等利用纳米
硬度计分析压入过程中涂层表面发生的各种裂纹过程时发现，接触区的高应力使压头周
围出现第一个近似环形的穿透膜层的裂纹；很高的侧压力使得涂层/基体界面在接触区发
生剥离和折断；在弯折薄膜的边缘处由于弯曲应力的作用而出现第二个近似环形的穿透
膜层的裂纹或裂纹碎片。在第一阶段，如果涂层出现近似环形的穿透膜层的裂纹，相应地
在 p-h 曲线上将会出现 1 个台阶，反之则不会出现台阶。我们研究了 4 种涂层的失效特征。