摘要
基于氮化铝和氮化钛的涂层因其多功能性和优异性能（耐磨性、硬度和抗氧化性）而在工业应用中得到广泛应用。添加硼等元素可以改善涂层的摩擦学性能。然而，表面光洁度对涂层性能有着显著影响。在本研究中，使用物理气相沉积（PVD）技术对具有不同表面光洁度的平面样品以及真实的成型工具部件进行了AlTiBN涂层处理。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱仪（GD-OES）分析了涂层的结构和化学成分。采用洛氏硬度测试评估涂层与基材的附着力，并通过纳米压痕实验表征涂层的机械性能。通过销盘测试研究了涂层的耐磨性。在实际应用中使用了涂层成型工具来测试涂层的性能并验证结果。结果表明，涂层提高了部件的使用寿命。AlTiBN顶层涂层减轻了基材粗糙度对涂层性能的影响，使得涂层在耐磨性方面与中等抛光和高质量抛光基材具有相似的性能。然而，表面抛光质量差或过于粗糙会直接影响部件的磨损行为，导致更高的磨损率。
1 引言
多年来，冲压工具被广泛使用和研究；然而，仍有几个限制其性能的因素需要解决。成型工艺需求的增加带来了新的挑战，这些挑战影响了冲压工具的性能。其中包括高速操作过程中产生的高温导致的热疲劳[1-3]、成型高强度材料时的回弹问题[4]、需要生产复杂几何形状的零件从而增加了工具设计的复杂性，以及由于加速磨损而缩短的工具寿命[5]。工具磨损是一个关键问题，尤其是粘着磨损，因为它可能导致工具和冲压零件质量的下降。即使是在耐磨性方面进行小的改进，也能显著提升工具的性能[6]。因此，改善成型工具的表面性能是提高其耐磨性的有效策略。冲压工具的性能受到其表面光洁度的强烈影响。良好的表面光洁度可以通过减少冲压过程中的摩擦和磨损来显著提高工具的耐用性和效率[7]。相反，表面缺陷和粗糙度会加速磨损，导致更频繁的维护或更换工具，从而增加运营成本[7, 8]。因此，控制和最小化这些表面缺陷对于确保工具的正常性能和延长其使用寿命至关重要。此外，更光滑的表面光洁度还可以通过减少缺陷和提高制造过程中的一致性来提高冲压零件的质量[9]。较少的表面缺陷通常意味着更好的符合设计规范性和更优的质量控制。因此，优化冲压工具的表面光洁度不仅在提高工具性能方面起着重要作用，也在延长其使用寿命方面具有重要意义[8]。最终，这些改进可以带来工业应用中的成本节约和生产效率提升[9, 10]。由于多种因素（包括所用材料的固有性质、操作条件以及传统抛光技术的局限性），在冲压工具上实现镜面般的表面光洁度往往具有挑战性。这些工具通常由非常硬的材料制成，如WC-Co，旨在承受高应力和严重的磨损[11, 12]。虽然这些特性有利于工具性能，但也使得抛光更加困难。传统的抛光方法可能耗时较长，甚至可能引入影响工具耐用性和性能的表面缺陷。此外，使用传统技术获得镜面表面需要精确控制压力、磨料选择和抛光时间等参数，这进一步复杂化了抛光过程[13]。另一个重要方面是工具边缘的质量，它直接影响切割和成型工具的性能以及制造零件的质量。表面抛光工艺可以改变边缘的几何形状和光滑度，进而影响工具在操作过程中的表现[14-16]。因此，控制抛光过程对于确保工具性能的一致性和制造过程中获得适当的成品也是必不可少的。应用物理气相沉积（PVD）涂层可以作为一种替代方法，无需高质量的表面抛光过程即可获得所需的表面性能。已知PVD涂层可以提高工具的硬度和耐磨性，同时提供更光滑的表面[17, 18]。通过PVD施加TiAlN或TiN等薄涂层，冲压工具可以更高效地运行，并在不需要复杂抛光工艺的情况下实现更长的使用寿命。涂层工具通常表现出较低的粘着磨损和较低的摩擦系数，使其特别适合处理难以加工的高级材料的高精度冲压操作[19]。因此，尽管实现镜面光洁度具有挑战性，但PVD涂层为提高工具性能和耐用性提供了实用的解决方案。即使不改变冲压工具的表面光洁度，涂层也能显著提升其性能。这种改进主要取决于涂层本身的性质及其与基材的相互作用。与PVD涂层相关的几个因素也有助于公司降低成本。首先，由于耐磨性的提高，工具寿命得到延长[20]，从而减少了工具更换的频率和相关的生产停机时间。此外，PVD涂层的薄特性使得工具边缘保持得更锋利，与通过抛光产生的圆角边缘相比，可以减少切削力并提高生产效率[21, 22]。此外，在相对粗糙的表面上施加PVD涂层可以降低高级抛光工艺的成本，特别是对于具有复杂几何形状的部件。基材的表面粗糙度是PVD沉积涂层性能的关键参数，因为附着力、机械性能和整体性能都可能受到其影响。附着力是确保基材和涂层之间良好结合的关键因素。粗糙表面可能会增加有效表面积并促进机械互锁，从而增强涂层附着力[23]。然而，过度的粗糙度可能会产生相反的效果，形成应力集中区，导致涂层过早分层[24]。此外，有研究表明，在更光滑的表面上沉积的涂层往往具有更好的机械性能和更少的缺陷，因为应力分布更加均匀[25]。涂层的形态和微观结构也可能受到基材粗糙度的影响。表面粗糙度的变化可以改变涂层的生长机制，导致沉积材料的晶粒大小和结晶度的变化。这些变化直接关系到机械性能，如硬度和耐磨性[21]。由于粗糙表面可能导致沉积速率不均匀和涂层材料在基材上的不规则聚集，残余应力也可能增加[21]。有研究[23]指出，大约0.1 µm Ra的基材粗糙度为获得改进的摩擦学性能和适当的机械性能提供了最佳条件[24]。类似地，其他研究也表明，在经过优化的粗糙度表面上沉积的涂层表现出比在过于光滑或粗糙表面上沉积的涂层更好的机械性能[26]。此外，沉积参数也在决定涂层的附着力和机械行为方面起着关键作用。因此，必须综合考虑基材表面光洁度和沉积参数来优化工艺。在本研究中，使用HiPIMS技术在具有不同表面光洁度的工具钢基材上沉积了AlTiBN涂层，并对其摩擦学性能以及在实际应用中的性能进行了研究。本研究的主要目的是评估通过施加PVD顶层涂层是否可以减少基材粗糙度对工具性能的影响。一旦涂层沉积完成，陶瓷表面层预计将主导磨损和摩擦行为，从而减少底层粗糙表面的影响。这样，就可以使用较粗糙的表面光洁度，而无需达到高质量抛光的效果，尤其是在具有复杂几何形状的部件上。本研究的新颖之处在于系统地评估了基材表面光洁度和AlTiBN PVD涂层对实验室规模和实际成型工具性能的综合影响。与仅关注高度抛光的基材（实验室研究的典型情况）不同，本研究表明AlTiBN涂层可以有效减轻中等程度基材粗糙度的影响，实现与精细抛光表面相当的耐磨性。该研究评估了哪种表面光洁度最为关键，并通过实际工具测试进行了验证。这种方法通过允许使用更粗糙、成本更低的表面光洁度，而不影响工具寿命或性能，提供了明显的工业优势。总体而言，使用这些涂层可以提高耐磨性，延长工具寿命，提高制造零件的质量，并减少这些应用中对高度抛光表面的需求。
2 实验部分
2.1 材料和薄膜沉积
2.1.1 材料选择和表面制备
本研究使用1.2379钢（D2工具钢）作为基材材料。这种高碳、高铬工具钢的特点是碳化物在钢基体中均匀分布，提供了优异的耐磨性。该材料被硬化至58 HRC，确保在恶劣工作条件下的良好耐磨性和塑性变形抵抗能力。此外，1.2379钢在热处理和表面涂层方面具有多功能性，可以显著提升其性能。该钢还适用于旨在改善摩擦学性能的表面涂层应用。钢的化学成分见表1。
表1. 1.2379钢的化学成分。
元素 百分比 (%)
碳 (C) 1.55
铬 (Cr) 11.50
钒 (V) 0.90
钼 (Mo) 0.80
锰 (Mn) 0.45
硅 (Si) 0.40
对1.2379钢基材采用了两种不同的表面处理方法：磨削和线切割电火花加工（wire EDM）。使用PROTH磨床进行磨削，通过去除磨料材料来获得低粗糙度的表面光洁度。PROTH磨床以其精确性和稳定的性能而闻名，是要求顶级表面质量的应用的首选。第二种表面处理方法是使用GF Machining Solutions (Agie Charmilles) CUT E 600机床进行线切割电火花加工。该工艺通过线电极和工件之间的受控电火花去除材料，能够精确加工硬质材料，并产生电火花加工特有的表面光洁度。图1展示了两个由1.2379钢制成的立方体，每个立方体的不同面上具有不同的表面光洁度：一个是通过PROTH磨床磨削获得的，另一个是通过GF Machining Solutions (Agie Charmilles) CUT E 600机床进行线切割电火花加工获得的。左边的立方体未经涂层处理，而右边的立方体涂有AlTiBN，并显示出摩擦学测试的痕迹。
2.1.2 PVD薄膜沉积
涂层在配备有两个400×100 mm2矩形磁控管的工业级真空室中沉积，该真空室还配备了快门、双旋转基材支架、偏压电流、阳极、加热器和质量流量控制器以及泵送系统（图2）。用于沉积AlTiBN的是预合金化的Al55Ti35B10粉末压制的陶瓷靶材，放置在真空室的右侧磁控管上。为了调整最终的Al-Ti比例，还在左侧磁控管上放置了一个纯Ti（99.99%）靶材。除了研究的基材外，还在镜面电抛光（平均粗糙度Ra < 5 nm）的不锈钢（AISI304）基材（40×40 mm2）、100 μm厚的36×6 mm2不锈钢（AISI420）基材以及商业（100）硅基材上沉积了涂层，用于后续表征。沉积前，基材先用肥皂和防油产品清洗，然后用清水冲洗，最后用异丙醇（IPA）冲洗，并用过滤后的压缩空气干燥。一旦进入腔室，并且达到低于1×10^-2帕斯卡的基本压力后，基底在平均电压为450伏特、频率为150千赫的直流脉冲基底偏压下进行氩气蚀刻。氩气蚀刻后，使用HiPIMS技术沉积了一层铬。沉积过程中的压力为0.7帕斯卡；N2/Ar气体流量为23/66立方厘米每分钟；沉积温度为350摄氏度；基底偏压为100伏特；基底夹持器的旋转速度为5转每分钟。支撑Ti靶材的工作功率为0.5千瓦，脉冲持续时间为150微秒，频率为750赫兹；Al55Ti35B10靶材的工作功率为3千瓦，脉冲持续时间为150微秒，频率为550赫兹。图2在图查看器中打开。
PVD腔室配置示意图，用于沉积AlTiBN涂层。
2.2 化学和微观结构表征
使用配备4毫米直径阳极的HORIBA Jobin Yvon RF GD Profiler进行辉光放电光学发射光谱（GDOES）分析涂层的化学成分。主要分析参数包括放电压力为650帕斯卡、功率为35瓦特、分析时间为15秒以及每秒采样10个点。使用Apreo 2S LoVac系统（Thermo Fisher Scientific）通过FE-SEM截面分析来表征硅（001）晶圆的厚度和形态，加速电压为2.0千伏特，探针电流为0.10纳安，工作距离为4.4毫米，放大倍数为10000倍。采用PANalytical Empyrean X射线衍射仪在布拉格-布伦塔诺配置下，使用CuKα射线评估涂层中的相和纹理，操作条件为45千伏特和40毫安，配备Ni滤光片。获得的数据处理方法如下：减去背景，每个光谱相对于属于涂层材料的最高峰进行归一化，并将基底峰与钢的衍射图案匹配以评估峰位移[27]。
2.3 表面和机械性能表征
在沉积过程前后，使用共聚焦显微镜（S Mart, Sensofar）对所有样品的粗糙度和表面纹理进行了表征，以确保表面质量的保持。测量结果取三次平均值，使用20倍物镜获得每个样品的算术平均高度值（Sa）。根据ISO 25178标准[28]，使用以下滤光片测量Sa：
- 高通滤光片的标准截止波长：λs = 2.50微米。
- 低通滤光片的标准截止波长：λc = 0.25毫米。
此外，还对实际用于服役工作测试的涂层工具表面进行了共聚焦显微镜评估，以观察与材料接触的边缘和表面所经历的磨损情况。使用纳米压痕测试仪（TTX-NHT3, Anton Paar）进行纳米压痕测试，以获取样品的机械性能信息（硬度、杨氏模量和抗塑性变形能力）。该设备配备了Berkovich压头，测试参数如下：
- 最大载荷：10毫牛顿。
- 加载和卸载速率：60毫牛顿/分钟。
- 加载和卸载之间的暂停时间：5秒。硬度值和杨氏模量值使用Oliver和Pharr方法[29]获得。使用配备钻石压头的Instron Rockwell压痕仪对涂层样品进行洛氏附着力测试，施加150公斤的载荷，以研究不同纹理基底上涂层的附着力。随后，根据Daimler–Benz Rockwell–C附着力测试图表[30]评估压痕过程中生成的压痕图案，以确定附着力水平。
2.4 磨损学表征
使用Microtest MT系列摩擦计（Microtest S.A.）在销盘配置下进行摩擦学测试，使用6毫米氧化铝球（Ramax = 0.050微米，硬度约为1650 HV）作为对偶材料。测试样品为具有不同表面粗糙度的立方体样品（图1）。测试在30牛顿的正常载荷下进行，转速为200转每分钟，持续10000个周期。摩擦系数值在摩擦学测试过程中直接记录，而磨损率则使用Smart共聚焦显微镜（Sensofar）进行评估。该显微镜能够通过创建的聚焦区域3D图像直接测量磨损轨迹中的体积损失。这样就可以评估受摩擦学测试影响区域下方剩余的体积。在磨损轨迹的三个不同区域测量体积损失，然后将其外推到整个轨迹。每个样品的磨损轨迹长度如下：涂层镜面光洁度为1604 ± 140微米，涂层线切割为1603 ± 167微米，涂层磨削为1611 ± 146微米，未涂层镜面光洁度为3381 ± 19微米，未涂层磨削为3168 ± 320微米，未涂层线切割为3191 ± 350微米。最后，根据ASTM G99[31]中定义的表达式计算磨损率。选择销盘测试参数是为了再现高载荷成形应用的接触条件，同时确保稳定的摩擦学状态，允许足够的材料相互作用以正确评估涂层的耐久性和磨损率。这样可以避免引入不现实的热效应或层的临界磨损和失效，从而可靠地比较表面光洁度对涂层性能的影响。
2.5 服役性能
所研究的生产线由三个主要组件组成：解卷机、矫直机和一台高容量压力机（Arisa型号，容量为630吨）。这些组件在整体制造过程中各自执行关键功能，确保从初始阶段到最终操作的连续高效的工作流程。过程从解卷机开始，它负责展开钢卷并向后续阶段提供连续均匀的材料供应。解卷机之后，矫直机纠正钢带在轧制过程中可能发生的任何变形。这一步对于确保后续切割和成形操作所需的尺寸精度至关重要。如图3a所示，这些组件集成在一个自动化生产线上，旨在高效地将原始钢卷转化为符合严格尺寸和质量要求的金属部件。图3在图查看器中打开。
服役性能：包含解卷机、矫直机和6300千牛压力机的生产线（a）；用于研究的渐进式模具（b）；研究阶段的带材、模具和冲头（c）以及渐进式模具带材（d）。图3b显示了用于制造制动支架的渐进式模具。在这种配置中，带材从图像的右侧进入，并逐步通过模具的不同站。随着带材的移动，它被精确对齐并引导通过每个站，以确保整个过程的准确操作和重复性。在每个站，材料会经历特定的成形或切割操作，而最终阶段通常将成品部件从带材上分离。本研究中分析的阶段对应于图3c。红色部件代表模具，紫色元素代表正在加工的钢带。蓝色部件代表每次冲压周期进入模具的冲头。这些组件之间的相互作用对于本研究中调查的渐进式成形过程至关重要，因为它决定了制造出的制动支架的几何形状和最终质量。图3d显示了本研究中分析的操作之前的钢带。由于使用了渐进式模具，随着带材通过模具的移动，逐步执行多个操作。在每个站，进行特定的切割、弯曲或成形操作，逐步塑造出最终部件。这种顺序方法能够高效且高度可重复地生产复杂部件。
3 结果与讨论
3.1 化学和微观结构表征
图4显示了AlTiBN涂层的截面图像。涂层呈现出略微柱状且致密的微观结构。HiPIMS的使用促进了更致密涂层的形成，这是由于沉积过程中产生的高度电离等离子体环境，这也导致了机械性能的提高[32]。涂层厚度约为3微米，还可以观察到在AlTiBN涂层之前沉积的Ti粘附层。图4在图查看器中打开。
图5显示了通过GDOES获得的AlTiBN涂层的完整深度成分剖面。构成涂层的元素（Al、Ti、B和N）出现在剖面的微米范围内，因为它们对应于样品的外功能层。通过这种技术确定硼的百分比具有挑战性：因此，结果中可能会观察到与实际成分的一些差异。在这层之下，可以识别出一层薄层，其中Cr的含量增加到大约35%。该区域对应于在顶层功能涂层之前沉积的粘附层。图5在图查看器中打开。
图6展示了通过HIPIMS沉积的AlTiBN涂层的X射线衍射图案。在37°–38°（2θ）附近的主导衍射峰可以归因于立方（fcc）AlTiN基固溶体的（111）面，表明了PVD氮化物涂层的典型强优先取向。在43°–45°附近观察到的较小且较宽的峰通常与同一fcc结构的（200）和/或（220）反射相关，尽管它们的强度降低可能与纹理效应和细小的柱状晶粒尺寸有关。峰宽化表明了纳米晶粒和高残余应力，这是HiPIMS沉积的硬涂层的特征。没有单独的硼化物或六方AlN峰，表明硼以非晶态或固溶态掺入，有助于细化晶粒而不是形成独立的晶体相。总体而言，该图案证实了形成了具有立方氮化物结构的致密且具有纹理的AlTiBN涂层，适用于高硬度和耐磨性[27]。图6在图查看器中打开。
3.2 表面和机械性能表征
使用共聚焦显微镜确定了每个样品的表面粗糙度，在表面的多个位置获得了Sa值（表2）。涂层和未涂层线切割样品的Sa值最高，为2微米，其次是磨削样品，为0.6微米，而镜面光洁度样品的Sa值最低，范围从3.8到6.3纳米。这些结果表示磨削表面和镜面光洁度表面之间大约有一个数量级的差异，线切割表面和镜面光洁度表面之间几乎有两个数量级的差异。PVD涂层可以在基底上产生更光滑的表面，从而最小化底层粗糙度的影响。通过防止成形工具与工件直接接触，涂层减少了磨损并延长了工具寿命[33]。然而，包括抛光和清洁在内的表面准备对于实现最佳涂层性能至关重要[23, 34]。
表2. 每个样品在PVD沉积过程前后的粗糙度Sa值。
图7显示了每个样品的洛氏附着力测试图案。镜面光洁度和磨削光洁度样品的附着力水平相似。两个样品都显示出源自压痕图案的径向裂纹以及压痕边缘的小微裂纹，这表明附着力水平为HF2–HF3。在线切割样品中，没有观察到明显的粘附失效痕迹，因此可以认为这些样品的附着力水平为HF1。这种行为可以归因于两个因素。首先，较高的基底粗糙度可以增强物理技术沉积涂层的机械互锁和附着力[23]。其次，相同的粗糙度可能阻碍了表面粘附失效的清晰观察。此外，沉积过程中产生的残余应力可能导致涂层样品的磨损沟槽中出现分层现象。随后的机械和摩擦学分析进一步揭示了涂层的附着力性能。图7（在图查看器中打开）PowerPoint
每个涂层样品的Rockwell附着力测试图案：镜面抛光（a）、磨削（b）和线切割（c）。通过纳米压痕测试获得的硬度（H）、杨氏模量（E）和抗塑性变形能力（H3/E2）值显示在表3中。鉴于纳米压痕测试遵循的准则是尖端穿透必须低于层厚的10%以避免基材的影响，表3仅显示了未涂层基材和AlTiBN涂层之间的比较。由于上述准则，所有涂层基材表现出相同的行为。正如预期的那样，AlTiBN涂层样品的硬度和杨氏模量值远高于未涂层样品。大约38 GPa的硬度和388 GPa的E值与不同Al含量的AlTiBN涂层所呈现的值相似[27]。由H3/E2定义的硬度与杨氏模量之间的关系表明，涂层样品的抗塑性变形能力也更高。表3. 涂层和未涂层样品的纳米压痕结果。E，GPa
硬度，GPa
H3/E2
未涂层钢
255 ± 14
6 ± 1
0.003 ± 0.001
AlTiBN涂层
388 ± 32
38 ± 4
0.36 ± 0.1
H3/E2比率与材料的弹性极限有关，因此也与韧性有关，被认为是负载接触中抗塑性变形能力的指标[35-37]。普遍认为，材料的耐磨性与弹性塑性参数H3/E2的关系比单独的硬度更为密切，因为许多研究已经证明了这一比率与不同类型磨损的抗性之间存在强相关性[35-42]。本研究中观察到的值约为0.36，与其他研究报道的值相似[27]，略高于多层AlCrBN/AlTiSiN硬质涂层所报道的值[43]。
3.3 摩擦学特性
每个样品的摩擦系数值显示在图8中。所有测试样品的摩擦系数（COF）值都在0.6到1之间，这通常是具有较高抗塑性变形能力的硬质涂层的典型表现。在线切割样品的情况下，由于表面粗糙度，图表显示了更多的噪声。在更光滑的样品上，较高的COF值可以归因于实际接触面积的增加，这促进了在高负载条件下的粘着磨损和材料转移，导致摩擦系数接近0.8–1.0。在较粗糙的表面上，接触主要发生在粗糙度峰值处，形成了更稳定的第三体层，从而降低了表观摩擦系数（0.6）。AlTiBN涂层的应用由于其高硬度和有限的塑性变形能力而略微增加了摩擦。必须研究样品的摩擦学性能，而不仅仅是摩擦行为，还包括测试后的磨损机制和磨损率。这些值与最近对AlTiSiN和AlTiBN涂层的观察结果一致，其摩擦系数为0.8[44]。最近的研究论文中也报道了摩擦系数在0.8到0.9范围内的AlTiBN涂层[45]。图8（在图查看器中打开）PowerPoint
每个涂层样品在摩擦学测试后的摩擦系数与时间的关系。图9显示的磨损率值在所有样品中显示出相似的趋势；然而，线切割样品的磨损率比其他样品更高。镜面抛光和磨削样品的磨损率约为5×10^-6 mm³/Nm，而线切割样品的磨损率达到了更高的1.5×10^-5 mm³/Nm。考虑到镜面抛光和磨削样品的标准偏差，这两种表面处理之间的耐磨性没有显著差异。相比之下，涂层线切割样品明显表现较差，这突显了基材粗糙度对磨损行为的影响。图9（在图查看器中打开）PowerPoint
每个涂层和未涂层样品在摩擦学测试后的磨损率。误差条代表标准偏差（n=3）。文献中也报道了使用类似涂层时耐磨性的类似改进。例如，AlTiN、AlTiSiN和AlTiBN涂层的磨损率约为6.5×10^-6 mm³/Nm，AlTiBN-O涂层的磨损率甚至更低[44]；AlTiBN涂层还展示了1到3×10^-14 m³/Nm的磨损率，并具有高韧性和热稳定性[46]；而不同N2浓度的CrN/TiN纳米多层涂层的特定磨损率在2–15×10^-5 mm³/Nm范围内[47]。总体而言，尽管使用了中等表面处理，本研究中观察到的耐磨性与文献中报道的值相当。根据销盘测试，所有磨损轨迹都通过共聚焦显微镜进行了检查，如图10和图11所示。对于未涂层样品（图10），所有样品都显示了明确的磨损轨迹。镜面抛光样品显示出更平滑的磨损轨迹，而线切割和磨削样品由于基材粗糙度较高而显示出更明显的磨料磨损。尽管与粗糙表面相关的磨料磨损增加，但磨损率并未显著受到影响。如图9中的磨损率结果所示，涂层镜面抛光和涂层磨削样品表现出相似的性能。图10（在图查看器中打开）PowerPoint
摩擦学测试后未涂层线切割（a）、磨削（b）和镜面抛光样品（c）的磨损轨迹。图11（在图查看器中打开）PowerPoint
摩擦学测试后涂层线切割（a）、磨削（b）和镜面抛光样品（c）的磨损轨迹。对于涂层线切割样品，磨损测试产生了所有测试样品中最宽的磨损轨迹，表现出磨料磨损和粘着磨损。纵向划痕表明了磨料磨损，同时伴有局部粘附材料的区域。涂层磨削和镜面抛光样品也显示出磨料磨损的迹象，沟槽沿线有明显的划痕。然而，镜面抛光样品的磨损轨迹比磨削样品的更平滑。虽然磨削样品的磨损轨迹比镜面抛光样品的更宽，但它们的深度不那么明显。PVD涂层的沉积产生了更平滑的表面轮廓，减轻了底层基材粗糙度的影响，并提高了耐磨性。PVD涂层减少了在成形操作中常见的粘着磨损和磨料磨损机制，提高了工具性能并延长了工具寿命[23, 47]。即使在涂层后没有观察到明显的粗糙度差异，涂层本身的内在属性在克服与粗糙表面相关的挑战方面也起着关键作用。高硬度、热稳定性和韧性等机械属性有助于提高耐磨性。像氮化钛（TiN）和氮化铝钛（TiAlN）这样的涂层有助于工具在成形过程中遇到的高压力和高温下保持结构完整性，减少热疲劳并在循环加载条件下保持性能[22, 47]。使用HIPIMS进行AlTiBN沉积进一步提高了不同表面处理下的耐磨性。HIPIMS能够形成致密、细粒度的涂层，与通过直流磁控溅射（DCMS）等传统方法沉积的涂层相比，这些涂层具有更好的机械性能。这些涂层表现出更高的硬度和韧性、更好的承载能力、更好的基材附着力以及更低的缺陷密度[48-50]。更密集的微观结构提高了耐磨性，而更硬的表面有助于限制磨料磨损。此外，像AlTiBN这样的先进涂层减少了工具磨损对基材表面质量的依赖性，因为涂层可以适应轻微的表面不规则性而不影响性能。本研究的结果表明，通过HIPIMS施加AlTiBN涂层可以最小化基材表面质量对工具性能的影响。因此，具有中等表面处理的工具通过PVD涂层可能实现与高质量表面处理的工具相当的耐磨性和使用寿命，从而可能降低抛光成本并优化整个成形过程。
3.4 在役性能结果
图12和图13显示了操作测试后的未涂层和涂层成形工具，提供了关于长时间循环下磨损进展的见解。未经涂层的模具在80,000个循环后表现出明显的表面退化。切削边缘出现了局部磨损和可能的微裂纹，同时表面变得粗糙，标志着材料去除的开始。这些早期磨损特征损害了组件的尺寸精度和均匀性，使得工具不再适合继续使用。图12（在图查看器中打开）PowerPoint
操作测试后的未涂层成形工具。图13（在图查看器中打开）
操作测试后的涂层成形工具。相比之下，经过130,000个循环测试的涂层模具显示出显著延长的使用寿命。尽管最终由于表面质量的损失而需要更换工具，但切削边缘周围的损坏更为明显：观察到更宽、更深、更不规则的磨损区域，包括先进的磨料磨损、粘着磨损和塑性变形。边缘圆化和局部断裂进一步损害了工具的几何形状，突显了重复机械和热负荷的累积效应。对涂层工具在130,000个循环前后的共聚焦显微镜观察（图14）显示，工具表面保持相对平滑，而切削边缘受到了最大的损坏。图14c,d显示了改变的几何形状和粗糙的边缘，而图14a,b,e,f表明整体表面仅受到轻微的磨损影响。尽管比未涂层工具承受了更多的循环，但边缘质量不再允许生产高质量零件，因此需要更换。图14（在图查看器中打开）
操作测试前的涂层成形工具表面（a,b），操作测试后的边缘（c,d），以及操作测试后的表面（e,f）。这些观察表明，PVD涂层显著提高了工具寿命并延迟了关键磨损，特别是在工具表面。然而，特定于边缘的磨损仍然是操作性能的限制因素，强调了优化涂层属性（如附着力、硬度和韧性）以最大化成形工具在循环加载条件下的使用寿命的重要性。
4 结论
在这项研究中，成功通过HiPIMS在D2工具钢样品上沉积了AlTiBN涂层，并在三种不同的表面处理上以及在真实的成形工具上进行了测试，以研究粗糙度对摩擦学性能的影响。采用这种方法的目标是获得一种能够在不追求高质量表面处理的情况下提高成形工具耐磨性的涂层。以下结论总结了从实验程序中获得的结果分析：
• 截面SEM分析显示，涂层的厚度约为3 µm，微观结构致密，这似乎有利于获得成形应用所需的机械性能。
• 高硬度（38 GPa）和高抗塑性变形指标（H3/E2 ≈ 0.36）与涂层样品的耐磨性提高有关。
• 更平滑的表面表现出更高的摩擦系数（0.8–1.0），这是由于实际接触面积的增加，促进了粘着磨损和材料转移。较粗糙的表面显示出较低的摩擦系数（约0.6），因为接触仅限于粗糙度峰值，从而形成了更稳定的第三体层。AlTiBN涂层由于其高硬度和有限的塑性变形能力而略微增加了摩擦系数。
• 三种不同表面处理的样品都显示出AlTiBN涂层的耐磨性提高。表面质量最差的样品在没有涂层的情况下无法承受磨损测试，但有了涂层后，它经受住了所有循环。
• 涂层中等表面处理样品（磨削）和优质表面处理样品（镜面抛光）之间的磨损率结果（5×10^-6 mm³/Nm）几乎没有差异。然而，线切割样品（表面质量最差）表现出较高的磨损率（1.5×10^-5 mm³/Nm），与其他两个样品相比有显著差异。
• 实际应用测试表明，在役应用中施加涂层可以将使用寿命从80,000循环延长到130,000循环（使用寿命提高了62.5%）。然而，如果优化涂层，可以实现更大的提升。
• 应深入研究涂层与基材的附着力，因为这可能是工具在实际成形应用中无法承受更多循环的原因。研究观察到的结果表明，中等表面处理足以实现成形工具所需的摩擦学性能。此外，在中等或高质量表面处理样品上施加PVD涂层（如AlTiBN）可以提高耐磨性，从而延长工具寿命。在进一步的研究中，可以使用DOE等工具寻找最佳的粗糙度值，以确保涂层与基材之间的良好附着力并提高耐磨性，从而节省不必要的抛光和表面处理过程的成本。
致谢
这项工作部分由“纳瓦拉公共大学”通过项目SOPSIMAT - 参考编号：0011-1365-2022-000108提供资金支持。利益冲突
作者声明不存在利益冲突。
数据可用性声明
研究数据不予共享。
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