一、标准立项的目的

《“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划》指出，加快钢铁、有色金属、建材、化工等标准升级换代，优化材料标准制定与科技创新、产业发展协同机制，淘汰低端产品和落后产能，促进材料产业链供应链上下游标准稳定有效衔接。

我国是世界钨资源第一大国，同时也是钒钛资源储备极为丰富的国家，发展硬质合金等硬质材料具有得天独厚的资源优势。经过几十年的发展，我国的硬质材料工业体系逐渐完善，产品品种规格齐全，已能基本满足国内各经济领域的需求。在供给侧结构性改革和产业升级的大背景下，我国碳氮化钛基材料、硬质合金等硬质材料企业不断增加研发投入，产品档次逐渐走向高端，将有效提高我国硬质材料及其制品的品质，并有望走向国际市场。

目前，我国硬质材料产品标准体系已得到初步完善，但硬质材料及其制品性能检测相关标准却远远落后于行业技术水平的发展，这严重制约了新技术、新产品在行业内的推广、应用。同时，落后的标准加剧了行业产品质量鱼龙混杂、参差不齐的现象，长此以往将严重阻碍行业的健康发展。

硬质材料由于其应用场景，高温工况占比愈发增加，硬质材料高温耐磨性能测定具有重要意义。传统方法中对于材料耐磨性主要针对大型、均质、块体进行检测，对于现代工业工具中常见的涂层、薄膜、小型件等无法有效的进行评价和评估。因此急需提供一种硬质材料基于球盘法的高温磨损试验方法，尤其擅长于薄膜涂层等耐磨性的测定，制定相关标准，规范行业技术，促进行业发展，本试验方法适用于硬质合金涂层，也适用于碳氮化钛基等金属陶瓷、超硬聚晶金刚石等硬质材料。

二、标准立项的意义

硬质材料是现代机械加工中常见的工具材料，主要包括硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、超硬聚晶金刚石等。在效率、加工难度等不断提升的国内加工中，传统的基础材料已不满足于实际的加工工况应用，从上世纪70年代起开始诞生了化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）为代表的材料表面涂层处理技术。

CVD是在一定环境条件下将反应气体通入真空炉内，利用先驱气体、反应气体发生化学反应，从而沉积在基体上形成薄膜；PVD是指高能束轰击靶材，使其溅射或蒸发后，在基体表面沉积一层薄膜。这两类涂层制备方法在涂层刀具领域有着重要的实用价值与意义。

CVD涂层的典型特点是可控涂层的密度和纯度。在高温下通过反应气体的分解与再反应来沉积固态薄膜，可形成微米级涂层；同时可通过改变化学元素的分布来得到梯度沉积物，形成Al₂O₃ 等耐高温陶瓷涂层。

真空蒸发镀、溅射镀和离子镀是三种最为常见的PVD 制备涂层的方法。在硬质材料刀具涂层中，大多数以溅射镀为主，典型的有磁控溅射法。其优点是沉积温度低，不易形成η脱碳相，保证了其抗弯强度；磁控溅射法制备涂层时，内部应力状态大多数为压应力，有效提高了基体涂层之间的结合强度；还有沉积涂层表面粗糙度更小，有利于提高切削速度。

常见的涂层包含DLC、TiAl系、TiSi系、氧化铝、金刚石等，可实现改善润滑、耐磨、热障、抗氧化等多种类型的功能。随着目前高精加工的发展需要，涂层厚度相对较薄，一般厚度不会超过20 um。

同时，《“十四五”工业绿色发展规划》指出，高速切削、干式切削等工况正逐步成为主流。实际工具的应用过程中，刀片加工温度可达800℃以上。在石化油服等领域，深井状态下的环境温度也属典型的高温高压状态。另外在轧辊、高温玻璃模具等行业中，材料的服役温度均属于500℃高温状态。

高温工况下，材料晶体结构转变速度及氧化速度明显加快，硬度降低，对硬质材料涂层耐磨性能产生极大影响。而硬质材料涂层在高温状态下的服役表现和硬度、耐磨等性能水平对实际加工寿命作用显著。

因此，明确涂层各层的厚度，同时明确高温工况下涂层各层的耐磨性，对于涂层开发及涂层表征来说至关重要。现有硬质材料耐磨试验方法主要适用于偏厚涂层，无法准确评估薄壁涂层在高温下的层厚、硬度及耐磨性评价。

球盘法是一种国外常见的材料耐磨损性能测试方法，不仅能够较为准确的测量产品耐磨性能，还能够便捷地测量出薄壁涂层厚度，在CVD、PVD薄涂层领域应用十分广泛。

目前国内针对硬质材料涂层在高温下的耐磨性并无标准方法规范，因此整合和整理行业各企业的技术积累，确定行业的相关标准，对整体行业相关水平的提升有着极大的促进意义和实际价值。

一、标准范围

本标准适用于在硬质合金涂层的磨损试验中，采用高温下使球状试验片和圆板状试验片摩擦(滑动)的球盘法试验方法。

二、主要技术内容

1 试验装置

1.1 球盘法试验机

1.2 金相显微镜、扫描电镜及轮廓仪

1.3 表面粗糙度测量仪

1.4 秤量

2 试件

2.1 球状试验片

2.2 圆板状试验片

3 试验方法

3.1 试验片密度的计算

3.2 试件的处理

3.3 试验前的质量测量

3.4 磨损试验准备

3.5 磨损试验的条件

3.6 摩擦力的测定

3.7 试验后试件的处理

3.8 试验后的质量测定

3.9 球形试件磨损(痕迹)测量

3.10 圆板状试验片的磨损痕迹测定

3.11 磨损试验次数

4 试验结果的表示方法

4.1 球状试验片的比磨损量

4.2 圆板状试验片的比磨损量

4.3 摩擦系数

4.4 数据处理

5 实验报告

一、国内外情况简要说明

目前，仅以工具行业为例，硬质合金仍然是切削刀具的主要材料，占到全部刀具的60%，国内机床刀具市场中硬质合金可转位刀具市场保持在100亿左右规模，国产化率约60%。

近年来我国硬质合金行业产量整体呈增长态势，国内硬质合金行业产量从2017年的3.38万吨增长至2021年的5.1万吨，CAGR为10.83%。

据中国钨业协会统计，2022年1季度硬质合金总产量为10995.3吨，较上年同期增长5.15%；其中数控刀片12642.4万片，较上年同期增长27.86%。

国内合金刀具行业以株洲钻石、厦门金鹭、自贡长城切削等为代表在基体材料和涂层材料等方面均进行了长足的研究和开发。

据《高性能刀具及涂层刀具材料的切削性能》等研究表明，经过涂层的硬质材料刀片，其使用寿命提高可达4-5倍，切削速度提高25-30%。涂层的性能是由其微观结构和化学组分决定的，除与涂层材料本身性质有关外，还与涂层的制备技术与工艺条件有关。不同的制备方法，涂层的机械性能、组织结构都会有所不同。在硬质材料上制备涂层时考虑的主要问题有：①涂层方法的选择；②涂层与基体材料的匹配；③涂层厚度的选择；④涂层与基体的相互作用和扩散等：⑤涂层条件、工艺参数、涂层前基体预处理等。目前常用的硬质材料涂层制备的方法主要有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)、溶胶-凝胶法等。

为改善硬质材料的切削加工性能，工业发达国家80%以上的硬质材料及制品经过表面涂覆处理。国内外相继开发了双涂层、三涂层以及多涂层的复合刀片，有的涂层数甚至达到几十层、上百层的水平。近年来，我国硬质材料涂层占比也在逐步提升。

而在其他超硬材料上，20世纪90年代，国外专家团队发现碳氮化钛基硬质材料在具有良好综合性能的同时还可以节约传统硬质合金所必需的Co、Ta、W等贵重稀有金属，并且更加绿色环保，能在高精、高速加工领域一定程度上替代传统硬质合金。国内于2005年后，包括中南大学、华中科技大学、南京航空航天等高校分别展开了相关的研究工作，研究成果在株洲硬质合金、厦门钨业等国内粉末冶金公司进行转化，但当时的产品技术水平、质量、产品规模与国际先进水平存在较明显差距。

2012年，以美奢锐为代表的碳氮化钛基硬质材料企业通过与中南大学粉末冶金领域专家团队产学研合作，首先实现了碳氮化钛基硬质材料的产品化。2021年12月，超细硬质合金高端棒材、配件加工用TiCN基金属陶瓷刀具材料、纳米硬质合金高端棒材等硬质材料及其制品成功入选国家工信部《重点新材料首批次应用示范指导目录（2021 年版）》，为关键材料、关键技术打破国外垄断，解决“卡脖子”问题，进一步实现进口替代奠定基础。

目前行业内并无统一的针对超硬、难磨材料的磨损性能的评估评价方法，对于超硬超薄涂层的评价也仅有各企业内控方式，因此推进硬质材料涂层磨损试验方法的全面标准化，有利于规范硬质材料涂层耐磨重要性能方面的规范化测量和表征，有利于整个行业产品检控水平和应用效果的全面提升。

二、与国内相关标准间的关系

目前我国无硬质合金等硬质材料基于球盘法的高温磨损试验方法国家标准、行业标准，完善相关标准体系建设意义重大。

三、指出是否发现有知识产权的问题

无知识产权问题。