對耐磨涂層的要求取決于耐磨涂層與基體材料的力學匹配性、化學匹配性、施加載荷的方向和大小以及涂層本身的性能。根據耐磨涂層的應用不同,涂層硬度、化學穩(wěn)定性、涂層屈服強度、抗裂紋生核與長大的能力等因素都影響涂層的耐磨性能。
對耐磨涂層的首要要求就是確保涂層與基體有足夠的結合強度,為此,基體材料與涂層材料的選擇與設計應以確保涂層牢固結合為前提。
1.基體應無變形。當耐磨涂層用于高負荷工況時,基體應有足夠的硬度和屈服強度,以支承涂層不發(fā)生變形。
2.涂層與基體材料的彈性模量匹配性。在彈性應變情況下,如果涂層與基體的彈性模量不匹配,在負載時就會在涂層與基體的界面處產生陡變式的應力。若涂層的剛性大于基體,涂層中的應力就會增大。隨著載荷和涂層與基體的彈性模量差別增大,應力增大。
3.涂層與基體材料的剛性匹配。要使硬質耐磨涂層具有較長的使用壽命,涂層與基體材料的剛性應有合理的匹配。如果在剛性小的基體材料上沉積剛性高的涂層。由于剛性不匹配,就會使涂層中的拉應力增大,導致在涂層中形成裂紋并波及到基體,從而引起涂層發(fā)生早期破壞。
4.熱膨脹系數的匹配性。如果涂層與基體材料的熱膨脹系數不匹配,就會因體積變化而產生應力。通常,涂層與基體相比是很薄的,因此,基體的熱膨脹基本上不受涂層熱膨脹的影響,而涂層的熱膨脹則強烈的受到基體熱膨脹的影響。
涂層與基體由于熱膨脹不匹配而產生的熱應力基本上都集中在涂層中。熱膨脹系數差別越大,涂層中的應力就會越大,產生裂紋甚至剝落的傾向性就越大。這就是許多耐磨涂層尚未遭受嚴重磨損就發(fā)生過早剝落失效的主要原因之一。
當基體的熱膨脹系數大于涂層的熱膨脹系數時,在升高溫度時產生的應力為拉應力,反之,若涂層的熱膨脹系數大于基體時,則為壓應力。
大多數碳化物、氮化物及金屬陶瓷涂層的熱膨脹系數均小于鋼,只有TiN、NbN和Cr3C2的熱膨脹系數比較接近于高速鋼的熱膨脹系數,但差別仍不小。
5.涂層與基體材料之間的親和力。涂層與基體之間的親和力即化學結合能力直接影響涂層與基體之間的結合強度。通常,一種化合物在另 一種化合物中的固溶度低時,它們之間的結合強度也弱。只有當涂層與基體之間具有最大的化學親和力而又不會產生脆性界面相時,涂層與基體的結合強度才最大,才能充分發(fā)揮耐磨涂層的作用。