TiAlN 涂層刀具的高溫摩擦應(yīng)力仿真分析*

劉愛(ài)華 劉文清 苗秋華

(①山東交通學(xué)院機(jī)械制造系，山東濟(jì)南250023;②山東法因數(shù)控機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)南250101)

Ti 基氮化物涂層中研究最早的是TiN 涂層，其具有高強(qiáng)度、高硬度及較高的抗氧化性等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于金屬材料的機(jī)械加工、醫(yī)療、微電子腐蝕防護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。但隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，單一的TiN涂層不能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，研究發(fā)現(xiàn)在TiN 涂層基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多元以及多層復(fù)合涂層，性能遠(yuǎn)優(yōu)于單一的TiN 涂層［1］。一些金屬元素Al、Cr、W、V 和Zr 等都具有很好的合金化特性，與二元涂層TiN 相比，加入以上金屬元素形成的三元或者多元氮化物涂層性能均得到了明顯提高，其中的TiAlN 涂層是目前應(yīng)用廣泛的三元氮化物刀具涂層［2-4］。

刀具在切削的過(guò)程中產(chǎn)生大量的摩擦熱，使涂層的工作溫升急劇增加，因此目前對(duì)涂層刀具的摩擦學(xué)研究逐漸由常溫轉(zhuǎn)到高溫環(huán)境［5-6］，而這些研究均從實(shí)驗(yàn)的角度揭示TiAlN 涂層刀具的摩擦特性與磨損機(jī)理，但對(duì)在高溫摩擦過(guò)程中涂層所受的高溫摩擦應(yīng)力的研究較少。本研究針對(duì)TiAlN 涂層目前常用的球-盤(pán)高溫摩擦方式中的高溫摩擦應(yīng)力進(jìn)行仿真研究，揭示高溫摩擦過(guò)程中涂層的受力狀態(tài)，為研究涂層的磨損機(jī)理提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。

1 高溫摩擦實(shí)驗(yàn)

TiAlN 涂層由于其較高的硬度和耐磨性，多應(yīng)用在高速干切削條件，在切削中處在高應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力可達(dá)1 ～2 GPa，所以在本研究中選用球-盤(pán)接觸方式所提供的點(diǎn)接觸形式進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，以求接近涂層實(shí)際的使用工況。試驗(yàn)用的摩擦盤(pán)和對(duì)磨球的外形如圖1 所示。其中TiAlN 涂在YG6(WC +6 wt% Co)基體盤(pán)的表面，對(duì)磨球采用純SiC 制成，二者的參數(shù)特性如表1，外形照片如圖1 所示。

摩擦試驗(yàn)在CETR UMT-2 高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備的相關(guān)工作原理及主要的技術(shù)參數(shù)在文獻(xiàn)［7］中有詳細(xì)的敘述。根據(jù)摩擦實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，研究其在25 ～700 ℃環(huán)境下，垂直壓力為10 N，摩擦系數(shù)為0.2 時(shí)涂層所受應(yīng)力情況。

表1 材料的基本性能

2 涂層的高溫?zé)釕?yīng)力

2.1 涂層中熱應(yīng)力的產(chǎn)生

TiAlN 涂層的制備是在一定的沉積溫度下完成的，在此溫度下，涂層與基體可看成無(wú)約束疊加復(fù)合，不存在力的作用。但是，當(dāng)溫度變化時(shí)，涂層材料與基體材料不同的熱膨脹系數(shù)將會(huì)導(dǎo)致二者產(chǎn)生不同的熱收縮傾向。但二者在結(jié)合界面處相互制約，以防隨意變形而導(dǎo)致分離脫落，因此這種不同的收縮傾向?qū)⑹雇繉优c基體在界面附近產(chǎn)生熱應(yīng)力。本研究涉及溫度的變化，鑒于熱應(yīng)力對(duì)涂層失效產(chǎn)生的影響，在考慮摩擦應(yīng)力時(shí)，勢(shì)必要考慮高溫摩擦環(huán)境中的熱應(yīng)力，進(jìn)行綜合計(jì)算。

2.2 摩擦接觸表面的最高溫度計(jì)算

在摩擦的過(guò)程中，摩擦副除了受環(huán)境溫度的影響外，自身還會(huì)產(chǎn)生耦合溫升，使得摩擦區(qū)域的最高溫度大于摩擦盤(pán)的其余部分，相應(yīng)的摩擦區(qū)域的熱應(yīng)力數(shù)值改變，從而影響了整體的摩擦應(yīng)力，因此需要考慮摩擦溫升對(duì)摩擦應(yīng)力的影響。即計(jì)算摩擦接觸表面的最高溫度。

在本研究中，采用文獻(xiàn)［8］中的解析計(jì)算公式。其中，作者通過(guò)必要的假定，采用熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)出了高溫環(huán)境下球-盤(pán)摩擦形式中摩擦盤(pán)表面的最高溫度計(jì)算公式:

式中:a為小球的接觸半徑;Lr為計(jì)算溫度時(shí)經(jīng)過(guò)的距離;v為摩擦速度;λ1，ρ1，C1分別為摩擦盤(pán)上TiAlN 涂層的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱;λ2，ρ2，C2分別為配副SiC球的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和熱容;θ*為環(huán)境溫度;q為界面上的摩擦熱流密度。將摩擦考慮為單微凸體接觸，則q滿(mǎn)足公式［9］:

式中:μ 為摩擦系數(shù);P為垂直加載力。

這部分的計(jì)算是在摩擦試驗(yàn)結(jié)束后完成的，所使用的計(jì)算參數(shù)均取試驗(yàn)過(guò)程中的真實(shí)數(shù)值。

3 TiAlN 涂層的高溫摩擦應(yīng)力的有限元模擬

3.1 有限元分析模型的建立

幾何模型選取與摩擦盤(pán)實(shí)際形狀相同的圓柱形，考慮實(shí)際運(yùn)算的問(wèn)題，取基體圓柱體的直徑為d=6 mm，高度h=1.5 mm，而涂層的厚度取為h=3 μm，與基體相比涂層的厚度很小，這與實(shí)際情況相符。涂層和基體均采用Plane42 單元。力的加載區(qū)域設(shè)定為圓形，直徑定為0.06 mm，并加載垂直最用力與水平摩擦力，采用表面單元Surf153，并約束模型底邊的位移?？紤]環(huán)境溫度和摩擦溫升的綜合影響，設(shè)置模型整體的初始溫度(摩擦環(huán)境溫度)，并在摩擦區(qū)域施加溫升載荷。最終的網(wǎng)格劃分及力的加載如圖2 所示。

3.2 高溫摩擦應(yīng)力有限元模擬的結(jié)果分析

鑒于涂層與基體為不同材料，二者在高溫下存在熱應(yīng)力，出現(xiàn)互相脫離傾向，因此在討論高溫摩擦應(yīng)力時(shí)除軸向應(yīng)力σz(接觸應(yīng)力)剪切應(yīng)力τxz外，還應(yīng)考慮由所受的徑向應(yīng)力σx。以600 ℃為例，仿真出的應(yīng)力云圖如圖3 所示?？梢钥闯觯捎谕繉拥囊?，徑向應(yīng)力σx、軸向應(yīng)力σz和剪切應(yīng)力τxz在涂層與基體的結(jié)合界面處存在不同程度的突變。

因此，應(yīng)變?yōu)? 的情況下，此處為危險(xiǎn)斷面，涂層易剝落。

為了更好地對(duì)各溫度下的摩擦應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，圖4 給出了力的加載區(qū)域及前后范圍內(nèi)涂層與基體結(jié)合面上的σx、σz和τxz的變化，其中力的加載區(qū)域?yàn)?0.5a至0.5a(a 為加載區(qū)域的直徑)，圖4d 為取值位置示意圖?？梢钥闯?，溫度對(duì)徑向應(yīng)力σx的影響較大，隨溫度的升高，涂層與基體結(jié)合面上所受的最大壓應(yīng)力值增加，而室溫下的壓應(yīng)力最小且最大壓應(yīng)力發(fā)生在力的加載區(qū)域內(nèi)，且靠近力的加載方向的前邊緣。而最大拉應(yīng)力發(fā)生在加載區(qū)域之外，且當(dāng)溫度升高時(shí)，最大拉應(yīng)力反而減小，室溫下的拉應(yīng)力最大。由圖4b、c 可以看出，溫度對(duì)涂層所受的軸向應(yīng)力σz和剪切應(yīng)力τxz的影響不大。這是因?yàn)闇囟鹊淖兓挥绊懲繉铀艿臒釕?yīng)力，對(duì)接觸應(yīng)力無(wú)影響，而與摩擦副之間產(chǎn)生的接觸應(yīng)力相比，熱應(yīng)力中的軸向應(yīng)力要小很多，因此在結(jié)合面上溫度對(duì)σz和τxz影響不大。

圖5 為σx和τxz沿深度方向的應(yīng)力大小。對(duì)于σx來(lái)講，如圖5a，在涂層表面所受的壓應(yīng)力最大，隨深度的增加應(yīng)力減小。對(duì)涂層與基體的接合面區(qū)域進(jìn)行放大可以發(fā)現(xiàn)，隨溫度的升高，涂層所受到的壓應(yīng)力數(shù)值增大，且隨溫度的升高，接合面3 μm 處應(yīng)力突變程度增加，涂層易發(fā)生翹曲脫落。說(shuō)明溫度越高涂層越容易發(fā)生脫落現(xiàn)象，溫度對(duì)高溫摩擦應(yīng)力的影響較大。但圖5b 顯示出在力的加載邊緣0.5a 處，結(jié)合面上的應(yīng)力突變明顯，在力的加載區(qū)域不同位置處所受的摩擦應(yīng)力情況不同，說(shuō)明了高溫下涂層摩擦應(yīng)力的復(fù)雜性。通過(guò)圖5b 放大圖可以發(fā)現(xiàn)，在力的加載邊緣0.5a 處在600 ℃時(shí)的剪應(yīng)力τxz最大，這是因?yàn)槟Σ翍?yīng)力的仿真計(jì)算同時(shí)考慮環(huán)境溫度和摩擦溫升，此溫度下的綜合計(jì)算數(shù)值略高。另外，結(jié)果顯示溫度對(duì)加載中心處σz和τxz的影響較小。

4 結(jié)論

(1)在涂層與基體的結(jié)合面上，溫度對(duì)σx的影響較大。隨溫度的升高，涂層所受的最大壓應(yīng)力值增加，而室溫下的壓應(yīng)力最小;隨溫度的升高，最大拉應(yīng)力反而減小，室溫下的拉應(yīng)力最大。在結(jié)合面上溫度對(duì)σz和力τxz的影響不大。

(2)沿深度方向，力的加載中心處的σx、力的加載邊緣處的τxz在涂層與基體的接合面上均存在突變，且隨溫度的升高，突變程度增加，涂層易發(fā)生翹曲脫落。

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