TiN的摩擦学性能

CVD TiC―TiN多层涂层与TiC及TiN单层涂层摩擦学性能的比较CVD TiC-TiN多层涂层是一种具有很高应力和优良耐磨性能的表面涂层，以其超越传统单层涂层的摩擦学性能而备受青睐。

本文旨在比较CVD TiC-TiN多层涂层与TiC及TiN单层涂层的摩擦学性能，以探究其优劣之处。

实验采用球-板式滑动试验机对三种不同涂层进行了摩擦学性能测试。

实验采用固定负载和流体润滑的方式，测试三种涂层在相同试验条件下的摩擦力和磨损率。

实验结果表明，在相同负载和润滑条件下，CVD TiC-TiN多层涂层比TiC单层涂层表现出更低的摩擦力和更小的磨损率。

这是由于CVD TiC-TiN多层涂层的多层结构可以分布应力，降低了涂层的内应力，使其更加耐磨损、抗氧化，提高了表面的抗锈蚀性能。

同时，CVD TiC-TiN多层涂层具有更高的硬度和强度，从而使其更加抗磨损。

与此相比，TiN单层涂层表现出了很差的摩擦学性能，其摩擦力更高且磨损率更大。

这是由于TiN单层涂层具有较大的内应力和低硬度，容易受到表面破坏，并且在滑动试验中，往往产生大量的热量，使其表面更容易被氧化和失效。

综合来看，CVD TiC-TiN多层涂层因其多层结构、高硬度和抗磨损、抗氧化的性能表现出了明显的优势，比单层涂层更适用于高摩擦、高磨损和高温工作环境下的表面保护和涂层装备制造应用。

因此，本研究的实验结论有望为未来涂层和摩擦学领域的进一步研究提供有价值的参考。

除了在表现出更好的摩擦学性能方面，CVD TiC-TiN多层涂层还具有其他不同的优势。

首先，由于CVD TiC-TiN多层涂层的多层结构，它的厚度和组成可以在一定范围内进行控制，这使得它的应用范围更广泛，能够适应不同的使用环境和涂层需求。

其次，CVD TiC-TiN多层涂层可以通过控制合金成分、温度和气氛等参数得到优良的性能，因此在区别于TiC和TiN单层涂层的同类复合涂层中也有很高的应用前景。

此外，CVD TiC-TiN多层涂层还具有一定的生产成本优势，因为其采用化学气相沉积技术（CVD）进行制备，可以在一定程度上降低制备成本。

Equipment Manufacturing Technology No.8,2020电弧离子镀制备TiN、CrN、TiCN、AITiN和TiSiN涂层性能研究何诗敏,何世斌,陈震彬，陆惠宏，田灿鑫(岭南师范院物理与技术院，广东湛江524048)摘要：电弧离子镀制备TiN(CrN(TiCN(A1T1N和TiSiN广泛应用的硬质涂层，采用XRD、(EM检测涂层的结构及表面磨损形貌，采用显微硬度计、摩擦磨损仪检测涂层的硬度及摩擦系数及电化学工作站分析测试涂层的耐腐蚀性能，得到：TiN、CrN、TiCN、A1TiN和TiSiN涂层均为面心立方结构，CrN硬度2000HV,各种摩擦条件下摩擦系数稳定在0.6左右，自腐蚀电流密度3.2x1076A/c;2。

TiSiN涂层硬度最高3000HV。

TiCN涂层摩擦系数最低，稳定阶段在0.25。

TiN 和AlTiN涂层摩擦系数较大超过0.7O关键词：硬质涂层；显微硬度;耐磨性y耐腐蚀性中图分类号汀G117.1文献标识码:A现代加工制造业飞速发展-机加工效率越来越高,工模具的服役条件越来越严苛,传统工模具表面处理难以满足多样化的技术要求，制约了加工制造业的发展。

物理气相沉积(PVD)硬质耐磨涂层在保有基体性能基础上，进一步提升基体材料使役性能,被广泛应用在工模具表面提升工模具的使用性能［1］，为工模具技术的发展提供了新的思路。

面对当前新的经济，加工制造业在保加工质产质的，要进一步成本，并在此基础上实现更高的经济效益，对人的硬质耐磨涂层提了高的技术要求＞2@。

此，了解工业化涂层的性能，质并满足求的涂层，对提升业的具有要的现实。

PVD硬质耐磨涂层技术的发展，越来越多的涂层材料用工模具表面处理，择使用来了，用TiN、CrN、TiCN、AlTiN TiSiN涂层用具表面处理［3-8］，其AlTiN用于高的速，TiSiN用于高的高速。

TiN、CrN、TiCN用成型模具模具表面处理［9-I0］o CrN AlTiN涂层可用模具模具的表面处理＞II-I2］，并且CrN 涂层用具有一性的服役环境。

TiN薄膜的应力状态对摩擦学性能的影响的报告，600字TiN薄膜的应力状态对摩擦学性能的影响亟待进一步的研究来加以验证。

TiN是一种具有高硬度、耐腐蚀能力及优良的电绝缘性的非晶鑀氮化物，它成为一种在电子工程、航空航天及汽车制造领域中最常用的覆盖层之一。

TiN薄膜的应力状态是衡量其摩擦学性能的主要因素之一。

因此，围绕TiN薄膜的应力状态对摩擦学性能的影响，已经有一些研究和论文被发表出来。

在一篇原创性研究论文《TiN薄膜应力状态对摩擦学性能的影响》中，研究人员对TiN薄膜的应力状态对摩擦学性能的影响进行了研究。

研究人员证明，当TiN薄膜表面应力较大时，其摩擦学性能也会相应地变好。

同时，研究人员发现，TiN薄膜表面应力影响摩擦学性能可以通过调节TiN薄膜厚度来调节。

另外，一篇名为《TiN薄膜应力状态对摩擦学性能的实验研究》的论文中，研究人员通过对TiN薄膜的应力状态进行测试，发现TiN薄膜的应力状态会直接影响TiN薄膜的摩擦学性能。

并且研究人员发现，TiN薄膜的表面应力越大，TiN薄膜的摩擦学性能越好。

此外，研究人员还发现，TiN薄膜在不同的应力状态下表现出不同的磨损性能。

从上述研究论文中可以看出，TiN薄膜的应力状态对其摩擦学性能有着明显的影响。

而且在不同的应力状态下，TiN薄膜的摩擦学性能表现出不同的特性。

因此，为了改善TiN薄膜的摩擦学性能，在设计中需要注意TiN薄膜的应力状态，以及其对摩擦学性能所产生的影响。

尽管目前仍然有待进一步深入研究以证明TiN薄膜的应力状态对摩擦学性能的影响，这种影响已经得到了一些初步的验证和认可。

TiN薄膜抗磨损与抗腐蚀性能的研究摘要：通过实验研究了镀TiN薄膜W9Mo3Cr4V高速钢纺织刀片表面的抗摩擦磨损性能及抗腐蚀性能，并与基体表面抗摩擦磨损性能与抗腐蚀性能进行比较。

实验结果表明，镀TiN薄膜的高速钢表面磨损量较小，比基体耐磨损。

在相同实验参数下，镀TiN薄膜的高速钢表面平均摩擦系数要明细小于基体表面的平均摩擦系数，减小量约为35.7%。

通过电化学工作站测定的极化曲线，分析得镀TiN的高速钢表面腐蚀速度、腐蚀电流均小于基体，而腐蚀电位比基体高，表明镀TiN的高速钢表面比基体耐腐蚀。

关键词：TiN薄膜；摩擦因数；极化曲线；性能中图分类号：文献标识码：A近二十年来，表面工程技术得到快速发展，表面薄膜材料的研究与制备最为广泛[1]。

很多薄膜材料以优异的力学性能，化学性能等被工业广泛应用，尤其TiN薄膜的研究日趋成熟，在刀具、模具、装饰等领域应用广泛。

高速钢是最常用的切屑刀具，其工作环境为高切屑速度，高磨损【5】。

TiN 薄膜属于第Ⅳ族过渡金属氮化物，NaCl面心立方晶体结构类型，它的结构是由金属键和共价键混合而成，同时具有金属晶体和共价晶体的特点：高熔点、高硬度、优异的热和化学惰性，优良的导电性和金属的反射比【2】。

此外，TiN 薄膜还具有高温强度、优越的耐腐蚀性能以及良好的导热性能。

为了更好地改善工件的服役条件，需要对TiN薄膜进行一些性能测试，来进一步调整制备TiN薄膜的工艺参数，从而提高工业生产效率。

1抗磨损性能测试1.1抗磨损性能测试原理（1）摩擦系数的测定原理：试样的待磨层与摩擦机转头，在荷重摩擦体的作用下，以规定的速度相互摩擦。

在摩擦试验机结构原理下，采用微电脑控制、LCD动态显示、机电一体化原理，进行设定的摩擦试验[]。

试验前将摩擦实验时间、转速、实验半径、载荷等输入控制系统，试验则可实现自动控制，在设定的限制因素上停止测试。

(2)耐磨性的判断——称重法测磨损量在上述摩擦系数测定之前用电子分析天平秤量试件的质量，摩擦系数测定完再次称量试件的质量，以实验前后试件质量的变化来确定磨损量，并判断镀TiN刀片表面与基体表面的耐磨性。

TiN TaN多层膜的结构和摩擦学性能多层膜结构是由多个薄膜层堆积而成的复合材料，其中金属TiN和TaN广泛应用于摩擦学领域。

这些多层膜结构常用于改善材料的摩擦学性能。

多层膜结构的优势在于通过控制薄膜层数和厚度，可以调节材料的机械特性和表面性质。

TiN和TaN多层膜结构通常具有优异的硬度、韧性和耐磨特性，使其成为理想的摩擦材料。

在摩擦学性能方面，TiN和TaN多层膜结构表现出低摩擦系数和高耐磨性。

其低摩擦系数主要归因于多层膜结构中薄膜层之间的相互作用。

这种结构可以降低表面接触的摩擦和磨损，并提供较低的摩擦力。

同时，多层膜结构的高硬度和耐磨性使其具备良好的耐磨性能，能够长时间保持较低的摩擦系数。

TiN和TaN多层膜结构还可以选择性地调节材料的表面性质，例如表面能、润湿性等。

这些特性可以根据具体应用需求进行设计和控制，以实现特定的摩擦学性能要求。

总之，TiN和TaN多层膜结构具有优异的摩擦学性能，包括低摩擦系数、高耐磨性和优良的表面特性。

这些特性使得多层膜结构成为理想的摩擦材料，在各种工程领域中得到广泛应用。

此外，TiN和TaN多层膜结构还具有高温稳定性和化学稳定性，能够在恶劣的环境条件下保持良好的性能。

这使得它们在高温应用和腐蚀性环境中的摩擦学应用中具有巨大的潜力。

多层膜结构的制备方法有多种，包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等。

这些方法可以实现对TiN和TaN的控制沉积，从而获得不同组织结构和性能的多层膜。

此外，通过控制多层膜结构的厚度和层数，可以进一步调节材料的摩擦学性能。

较厚的多层膜结构能够提供更高的硬度和耐磨性，适用于高负载和高摩擦条件下的应用。

而较薄的多层膜结构则可以实现更低的摩擦系数，适用于对摩擦和磨损要求更高的应用场景。

此外，多层膜结构还可以与其他材料进行复合，以进一步提高材料的性能。

例如，可以将TiN或TaN多层膜结构与金属基底或碳基材料相结合，以获得更好的摩擦学性能和增强材料的机械强度。

TiN，TiC和Ti（C，N）涂层的性能及影响因素研究TiN,TiC和Ti(C,N)涂层的性能及影响因素研究唐达培.高庆,江晓禹(西南交通大学应用力学与工程系,l~tJiI成都610031)[摘要]TiN和TiC同属于NaC1形式的晶体结构,是同构互溶性的.Ti(C,N)是两者的固溶体.TiN和TiC及Ti(C,N)涂层具有优良的力学和摩擦学性能,作为硬质耐磨涂层,已用于切削刀具,钻头和模具等场合,具有广泛的应用前景.综述了国内外关于这3种涂层的研究成果.研究了影响其性能的若干因素,比较了它们的性能差异,为进一步优化涂层的性能及合理地选用涂层提供了参考.进一步的研究方向是高,低温及恶劣环境下涂层的性能以及更大载荷下涂层的摩擦学性能等.一些重要结果如下:(1)对TiN涂层而言,用CAPD比用CAIP制备时,涂层的摩擦因数小,结合强度大,硬度小;脉冲电压从550V增大到750V时,涂层脆性增加,结合强度减小;在多弧离子镀工艺中,500℃是最佳沉积温度,此时涂层的硬度和结合强度均最大.(2)对用反应磁控溅射制备的TiC涂层而言,用CH比用CH制备时,涂层的硬度大;CH分压在0.02～0.04Pa范围内为最佳,此时TiC涂层的硬度和弹性模量最大,分别是30.9GPa和343.0GPa.(3)对Ti(C,N)涂层而言,随CH:N或CH:N流量比的增大,其硬度增大;CH:N分压比对摩擦因数和磨损量的影响还与载荷的大小有关;TiCN涂层的硬度和弹性模量随值而变化,当为0.6左右时,硬度取最大值45GPa,当值为0.43左右时,弹性模量取最大值630GPa.[关键词]涂层;TiN;TiC;Ti(C,N);性能;影响因素;硬度;摩擦因数[中图分类号]TG174[文献标识码]A[文章编号]1001—1560(2005)03—0042—05 0引言TiN涂层具有硬度高,韧性好,结合强度高,摩擦因数小和化学性能稳定等优点,作为涂层用于加工刀具大大提高了其使用寿命和被加工产品的质量¨.但是,随着机械制造业要求的提高,切削刀具存在高温抗氧化性不足,硬度不够高等缺点.在各种新的涂层材料中,TiC涂层具有较好的综合性能,并且硬度比TiN更高,已成为主要选择之一.20世纪90年代通过多组元涂层,多层涂层,复合涂层提高了TiN涂层工模具的性能,取得了相当大的进展.TiN,TiC同属于NaC1形式的晶体结构,两者的晶格常数相差不大,是同构互溶性的.Ti(C,N)是TiN和TiC的固溶体,具有两者的特性和优点,Ti(C,N)与TiN相比有更好的抗粘着磨损和抗磨粒磨损性能,更低的摩擦因数,可以进一步提高切削刀具的生产效率和使用寿命.Ti(C,N)涂层的基本性能如形貌,结构和[收稿日期]2004—10—26[基金项目]教育部优秀青年教师基金成分在20世纪80年代已开始研究,mj.迄今为止,对于TiN,TiC及Ti(C,N)涂层的性能进行了大量研究,发现涂层的组分,厚度及工艺条件(如沉积温度,速度,压力等)对涂层性能有较大的影响,涂层的使用工况(如温度,速度,气氛,载荷等)对涂层摩擦磨损等性能有较大的影响.本工作对3种涂层的性能研究进行了评述,重点研究影响其性能的各种因素,同时比较了3种涂层性能的差异, 为涂层的合理选用和设计提供了依据,最后提出了进一步的研究方向.1影响涂层性能的因素1,1制备工艺用于制备TiN,TiC及Ti(C,N)涂层的工艺有物理气相沉积,化学气相沉积及各种复合工艺,如等离子体化学气相沉积,射频溅射沉积,离子束增强沉积,空心阴极离子镀,阴极电弧等离子沉积,阴极电弧离子镀,直流反应磁控溅射等.工艺不同,涂层的性能也可能不同.用CAPD比用CAIP制备TiN,TiC和Ti(C,N)涂层的性能及影响因素研究的TiN涂层的摩擦因数要低¨,可是若TiN涂层下有Ti作为夹层时,这2种工艺制备的TiN涂层的摩擦因数无明显差异;用CAPD制备的TiN涂层的磨损率随滑动速度增加而增加,而用CAIP制备的TiN涂层则有相反的结论;用CAPD比用CAIP 制备的TiN涂层的结合强度要大,但硬度要小. 1.2择优取向TiN涂层因制备的方法不同,取向也有所不同,如PVD方法制备的TiN涂层取向一般为(111),(200),而CVD制备的TiN涂层为(200), (220)取向.涂层择优取向对其质量和性能有影响,具有强烈TiN(111)择优取向的涂层表面光亮,硬度高,耐磨性好,与基体有较高的结合强度¨.对TiC涂层而言,用CH气体沉积时择优取向为(111),而用C:H:气体沉积时却朝着(111)和(220)取向竞争生长,TiC涂层的高硬度取决于TiC(220)峰的峰度.Ti(C,N)涂层的取向主要是(111),(200), (220).由于择优取向本身也受多种因素(基体温度,沉积速度,气体组分与压强以及外加电压等)的影响.一般来讲,提高温度有利于获得好的择优取向,而沉积速率越大,晶粒中的择优取向愈不明显. 因此,为了获得好的择优取向,基体温度和沉积速率之间应有一个最佳配合.气体组分与压强会影响原子在基体表面上的粘附系数和表面迁移率,而外加电压也会影响到达基体表面的粒子行为,因为它们都影响择优取向的类型及程度.1.3沉积电压,气压,气体配比,化学组分提高沉积电压可以细化TiN涂层的柱状晶结构,增加TiN涂层的显微硬度和沉积速率.脉冲偏压幅值在500～1700V,脉宽比在125～25的范围内,沉积温度低于250℃时膜层组织主要由Ti,N和TiN相构成,随脉冲偏压幅值和脉宽比的增大,晶面的择优取向由Ti:N(200)向(002)转变,柱状晶生长减弱;膜层具有较高的显微硬度和耐磨性,但在过高的脉冲偏压和脉宽比的沉积条件下,膜层性能有下降的趋势¨.随脉冲电压在550～750V之间逐渐增大,TiN晶粒增大,膜层脆性增加,沉积速率提高, 但膜基结合强度下降;在650V以下膜基界面有一伪扩散层出现,超过650V后伪扩散层消失,这是改善膜基结合强度的关键因素Ⅲ.TiC的反应溅射可采用各种含碳气体,如甲烷,乙炔等.高活性的乙炔气体可得到高硬度的TiC薄膜,但工艺和质量的重复性较差.甲烷等化学稳定的碳源气体能够保证工艺过程的良好控制,但常常达不到硬质膜所必需的化学计量比,致使镀层性能达不到要求.在这些沉积方法中,反应气体的分压将对所形成薄膜的相组成,微结构和力学性能产生重要作用.低的甲烷分压下,制备的薄膜样品中含有钛相,薄膜的硬度和弹性模量较低; 甲烷分压提高到0.02～0.04Pa时,薄膜内形成晶粒细小的单相TiC,并获得最高的硬度30.9GPa和弹性模量343GPa;进一步提高甲烷分压,薄膜呈现非晶态,其硬度和弹性模量亦随之降低¨引.在用PCVD法沉积TiC膜的过程中,TiC1和CH的流量是重要的控制参数,在一定的范围内可以提高TiC膜的硬度和沉积速率,但过多的TiC1和CH 会给TiC膜的结合强度带来不利的影响,氩气虽然可以提高TiC膜的沉积速率,但同时也降低了膜基的结合强度.制备Ti(C,N)涂层时,反应气体通常用CH与N:按一定比例混合,或者C:H:与N:按一定比例混合,其混合比例对Ti(C,N)涂层性能有一定的影响.随CH:N:或C:H::N:流量比的增大,膜的硬度增大,膜表面的针孔变小变少,膜呈现较强的(111)择优取向,且随流量比的增大而下降,(220)取向有轻微上升¨.CH:N:分压比对Ti(C,N)涂层性能也有影响,随CH:N:分压比的增加,粗糙度增加,即从TiN到TiC,粗糙度变大,TiC涂层的粗糙度最大;CH:N:分压比对摩擦因数和磨损量的影响还与载荷有关,在低载荷(10 N)下,分压比对摩擦因数和磨损量的影响很小,且摩擦因数和磨损量均很低,但在中等载荷(15N)或较高载荷(25N)下,摩擦因数和磨损量随CH-N:分压比的增加而减小,尤其是当CH-N:分压比在0.8:1.0以上时,Ti(C,N)涂层的摩擦因数都较低,当CH-N分压比为1:0时摩擦因数和磨损量最低,并且摩擦因数受载荷的影响最小.Ti(C, N)涂层中C,N组分对涂层性能的影响较大,在WC一6%Co基体上电弧沉积了TiCxN.一x(0≤≤1)涂层,图1为TiCN一中值对硬度,弹性模量的影响曲线,从图1可知,在z≤0.6时,TiCN一的硬度随值增大而增大,在I>0.6时,TiN,TiC和Ti(C,N)涂层的性能及影响因素研究硬度随值增大而减小,在为0.6附近硬度取最大值45GPa,比TiN(即为0时)的硬度28GPa和TiC(即为1时)的硬度36GPa都大;弹性模量在为0.6时约为610GPa,在为0或1时,弹性模量分别约为610GPa和540GPa,在约为0.43时,出现最大值630GPa.凸_图1电弧沉积的TiCN一涂层中值对硬度和弹性模量的影响日据翅案1.4温度在气相沉积过程中,沉积温度是一个重要的工艺参数.如果沉积温度超过淬硬钢的回火温度,沉积后淬硬钢就会软化,若低于某一沉积温度,涂层的性能就会受到影响.研究不同沉积温度下TiN 涂层的性能,对确定最佳沉积温度,提高TiN涂层性能是很有意义的.孙伟等研究了多弧离子镀沉积温度对TiN涂层性能的影响,得出500℃附近是最佳沉积温度,当低于500℃时,TiN涂层的硬度和结合强度均随沉积温度升高而增大,超过500℃后,硬度和结合力则迅速减小,对涂层的性能不利.赵程等采用先沉积后热处理'J,发现对PCVD.TiN涂层进行热处理时,随热处理温度的提高,涂层的结晶度得到大幅度的改善,使其显微结构向有利于提高涂层性能的方向发展,热处理温度对涂层的硬度有较大影响,但在900℃时,PCVD. TiN涂层的显微硬度有一个最低值.宋人娟对多弧离于镀TiN低温涂层进行了研究,得出低温涂层硬度在2000HV以上,比高温涂层的硬度低, 但低温TiN涂层具有低的摩擦因数,高的耐磨性和膜基结合强度.对PVD硬涂层来说,热稳定性是重要的影响因素.在不锈钢上用PVD沉积了TiN涂层,研究了热处理对其摩擦特性的影响,结果表明,TiN的硬度和摩擦因数在450℃前基本无变化.Tamu. ra等的研究表明,Ti(C,N)涂层经500℃焖火后,仍保持其硬度,而TiC涂层经400℃焖火后其硬度快速下降.对以热作模具钢3Cr2W8V为基体的气相沉积的Ti(c,N)和TiN硬质镀层的热磨损性能进行了试验研究J,结果表明,Ti(C,N)和TiN镀层都具有良好的高温耐磨性,在850℃以上的高温条件下,几种有镀层试样的热冲击磨损量都明显地比无镀层3Cr2W8V试样的磨损量低;镀层的高温软化和氧化都不明显;只有当模基界面结合不良或模基体系的承载能力不足时,才会发生镀层的剥落或碎裂.1.5涂层厚度,层数,涂层顺序TiN涂层厚度对涂层结合强度有影响,若涂层太薄(≤1.5m),在外力作用下涂层容易变形剥落,若涂层太厚(I>4.7m),涂层应力增加,其抗变形,抗剥落能力也会下降,涂层厚度在2.5—3.5 m为最佳.对单层和双层涂层及其厚度对涂层性能作了研究,结果表明,对单层TiN涂层来说,其结合强度随厚度的增加而减小,但对有下层Ti膜存在的Ti/TiN双层涂层来说,当上层的TiN 涂层的厚度从1m变到5m时,未见结合强度减小,然而极厚的下层Ti涂层也会引起上层TiN 结合强度的减小;在较高的滑动速度下,增加下层Ti膜的厚度会导致试样的硬度变小,增加上层TiN 膜的厚度会导致试样的硬度变大,上下两层厚度的变化对试样的摩擦因数影响很有限.加J.用Ti(C,N)作为上层涂层比用TiN作为上层涂层时,其厚度对结合强度的影响,前者要小;Ti (C,N)涂层厚度对其硬度的影响极大,当下层Ti厚度不变时,微硬度随上层Ti(C,N)厚度的增加而增加,当上层Ti(C,N)厚度不变时,微硬度随下层Ti厚度的增加而减小.涂层的厚度及层数主要取决于工况条件,不一定是层数越多性能愈好,膜层过厚会处于高的应力状态,涂层变脆,使其寿命缩短,通常单一硬质PVD或CVD涂层的厚度在1—10m之间,多层涂层的单层厚度一般不超过5m.研究表明,以TiN为顶层的Ti/Ti(C,N)/TiN多层膜,其自身的硬度及与基体的复合硬度均比以Ti(C,N)为顶层的Ti/,TiN/Ti(C,N)多层膜的高;但前者的临界摩擦力比后者小;前者的微凸体的数量随涂层厚度的增加而增加,而后者的微凸体的数量随涂层厚度的增加而减少.1.6基体涂层使用性能的好坏不仅取决于涂层本身的性能,而且还和基体材料的性能有关,尤其是基体TiN.TiC和Ti(C,N)涂层的性能及影响因素研究材料的硬度,只有建立在比较坚硬的基体材料上, 硬质涂层才能发挥出其优越的耐磨性能.基体材料硬度不同,则TiN涂层与基体的结合强度亦不同,基体硬度越大,TiN涂层与基体的结合越好圳,在实际应用中,要尽量使基体材料在沉积温度下保持高的硬度以提高涂层质量.基体表面粗糙度越小,涂层与基体的结合强度越高,基体表面粗糙度以抛光为佳.同样组分的TiCN涂层,在基体Si(100)上比在基体Ti-0.2Pd上其硬度和弹性模量都要高.高速钢W.Mo-V+si上的TiN和Ti(C,N)涂层比普通的烧结钢ASP23, ASP30上的涂层的结合性能要好.1.7载荷,滑动速度法向荷载对摩擦和磨损都有影响,随着法向荷载的增大,摩擦因数和磨损量都相应增大,其增大的幅度随碳含量的增多而减小L2.滑动速度的增加会导致摩擦因数和磨损率的减小.2展望研究更大载荷范围内涂层的摩擦,磨损及力学性能;进一步研究高/低温,恶劣环境下涂层的性能;涂层的影响因素较多,且很复杂,许多因素又存在相互影响,需系统地研究涂层的结构,界面特性及沉积工艺,参数对涂层的力学性能及摩擦学性能等的影响,为设计性能优良的涂层提供数据和理论依据;从微观方面上研究涂层的摩擦学特性及摩擦磨损机理,注重摩擦学特性与功能性的有机结合; TiN,TiC及Ti(C,N)3种涂层作为硬质耐磨涂层已显示出其优越性,应在保持其优良的摩擦学,力学性能的基础上,进一步研制与其他涂层的复合,扩大其应用范围;开发新的涂层试验研究方法,为涂层性能检测和微观形貌,结构及成分分析提供有力的支持;进一步开发新的涂层制备工艺和设备,以便更好地控制涂层的结构和组成.目前评价涂层摩擦磨损性能的好坏大多是做对比性试验研究,缺乏统一的标准.因此,对现象, 数据进行深人分析,从微观角度研究其基本的理论模型,为涂层的摩擦磨损建立起总体的,普遍适用的理论已成为一个亟待解决的课题.[参考文献][1]DiserensM,PatscheiderJ,LevyF.MechanicalProp—ertiesandOxidationResistanceofNanocompositeTiN.穗SiNxPhysica1.V apor.DepositedThinFilms[J].Sur- faceandCoatingTechnology,1990(120/121):158～165.SproulWD.TurningTestsofHighRateReactively Sputter.CoatedT.15HSSInserts[J].Surfaceand CoatingTechnology,1987,3(133):1～4. 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TiN膜基体系的摩擦学试验与有限元模拟研究的开题
报告
一、研究背景及意义
随着机械制造、汽车工业、航空航天、电子信息等领域的迅速发展，对材料摩擦学性能的研究日益受到人们的关注。

TiN膜是一种广泛应用于摩擦学领域的功能膜材料，具有很好的耐磨性、耐腐蚀性和高温稳定性
等特点。

因此，研究TiN膜的摩擦学性能以及其与基体之间的相互作用
是非常有意义的。

二、研究内容及方法
本论文将从以下两个方面开展研究：
1. TiN膜基体系统的摩擦学试验研究
通过开展摩擦学试验，探索TiN膜与不同基体（如钢、陶瓷等）之
间的摩擦学性能，并分析不同工况下的摩擦学特性（如载荷、速度、温
度等）。

采用SEM、EDS等手段对试样表面进行分析，探讨TiN膜与基
体之间的相互作用机理。

2. TiN膜基体系统的有限元模拟研究
基于ANSYS软件，建立TiN膜与基体的有限元模型，对不同工况下的摩擦学性能进行数值模拟。

通过对模型的力学响应、应力状态和变形
特征等进行分析，探讨TiN膜与基体之间的摩擦学性能规律。

三、研究进展及预期结果
截至目前，已建立了试验平台以及摩擦学试验模型。

下一步将开始
进行摩擦学试验并进行数据处理和成像分析。

同时，还将进行有限元模
拟建模以及数值计算。

预计研究结果将可以揭示TiN膜与基体之间的相互作用机理，并为进一步优化TiN膜的应用性能提供理论参考。

TiN涂层在一般零件表面的摩擦磨损性能王永林;李迎吉【摘要】摩擦磨损现象存在于各类机械设备中,造成了很大的经济损失.选用了一般零件最常用的45#钢作为实验材料,研究45#钢表面沉积TiN涂层后,在摩擦磨损试验机上的摩擦磨损性能.通过实验比较不同载荷、不同转速对TiN涂层的摩擦磨损性能影响,由结果显示,TiN涂层不能降低摩擦系数,但能有效降低基体表面的磨损率.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2017(000)012【总页数】3页(P143-145)【关键词】TiN涂层;45#钢;摩擦磨损性能【作者】王永林;李迎吉【作者单位】中船重工第七○四研究所,上海200030;无锡职业技术学院,江苏无锡214121【正文语种】中文【中图分类】TG156TiN为过渡金属Ti的氮化物，既有某些与金属相似的性质，又具有很多非金属的性质，且因其化学性能稳定，涂于钢材等表面不容易发生分解以及和别的材料反应，有与钢材的热膨胀系数差异小以及胶粘耐磨损性能优良等特点[1]。

TiN涂层作为关键涂层，在一般设备的关键零件也渐渐被应用[2]。

但TiN涂层摩擦磨损过程较为复杂，目前还没有完善的理论能全面解释TiN涂层的摩擦磨损机理[3]。

本文在45#钢表面沉积TiN涂层，然后分别在不同的载荷和不同的转速下对45#钢基体和TiN涂层进行摩擦磨损试验，观察两种状态摩擦磨损现象，比较并分析摩擦磨损机理。

1 实验介绍本实验是在MMW-1A万能摩擦磨损试验机上进行；实验条件为室温，相对湿度30% ～40%；采用单针大环摩擦副形式，大止推圈摩擦副，如图1所示。

上销盘选用大止推圈夹头，如图2所示，下圆盘材料为调质处理的45#钢。

该摩擦副的摩擦磨损原理图如图3所示。

图1 大止推圈摩擦副图2 大止推圈夹头图3 止推圈摩擦副摩擦磨损原理图1.止推圈夹头 2.止推圈小试盘 3.螺钉 4.圆柱销5.止推圈大试盘 6.小试环 7.大试环2 不同载荷下T i N涂层的摩擦磨损特性2.1 载荷对T i N涂层的摩擦性能的影响图4为在转速100 r/min、干摩擦的实验条件下，不同载荷作用下45#钢基体、TiN涂层分别与45#钢圆盘摩擦副作用时摩擦系数的变化曲线图。

TiN涂层高速钢刀具的磨损特性及磨损规律一、引言TiN涂层高速钢刀具多为复杂刀具，在TiN涂层刀具磨损性能试验中，为便于观察，特按复杂刀具的角度设计制作了试验用刀片，将其安装在机夹式刀体上，在无级调速车床上进行耐磨性试验。

刀片基体材料为W9Mo3Cr4V，常温硬度64～65HRC。

刀片在美国多弧公司MAV－32型离子镀膜机上涂层，膜层厚度为2.4～3.1µm，显微硬度约为2000HV。

在一定的切削条件下，用涂层刀具和未涂层刀具分别切削相同的工件，同时测量切削力和切削温度的数值，利用双管立体显微镜、光切法显微镜和扫描电镜等观察刀具各个部位的磨损形貌和磨损尺寸，然后对试验结果进行综合处理和分析。

在实验室试验的基础上又进行了大量生产性观测，以验证试验分析的结论。

二、涂层刀具的磨损形态及磨损规律涂层刀具和未涂层刀具一样，正常磨损发生在三个面上，即前刀面月牙洼磨损、后刀面磨损及副后刀面磨损，其中以前、后刀面磨损为主。

当切削速度较高或切削厚度较大时，月牙洼磨损一般较严重；当切削速度较低或切削厚度较小时，以后刀面磨损为主。

图1所示为典型的涂层刀具前、后刀面磨损形貌。

从大量的照像观察中可看出涂层刀具磨损的一些特点。

涂层刀具月牙洼的中心靠近切削刃，月牙洼边界参差不齐，当月牙洼宽度相等时，涂层刀具月牙洼的深度远大于未涂层刀具。

涂层刀具后刀面磨损的主要特点是磨损带表面和切削平面不位于同一平面。

涂层刀具在切削过程中产生了负后角磨损带或后刀面月牙洼磨损，观测结果表明，磨损带远离切削刃处的负后角约为14°。

(a)前刀面月牙洼磨损(b)后刀面磨损带图1 涂层刀具的磨损形貌1 前刀面磨损的扩展及涂层的作用利用获得的一系列前刀面的磨损图片，绘制出图2所示月牙洼扩展曲线。

从图2可看出，涂层刀具和未涂层刀具前刀面磨损的产生和扩展情况明显不同。

在较高的切削速度下，未涂层刀具在很短时间内即形成很宽的月牙洼；而涂层刀具开始时并不产生明显的月牙洼，只是随着涂层的逐渐磨损，月牙洼才缓慢扩展。