材料的摩擦磨损

《材料的摩擦磨损》课程考查论文

CNx/TiN复合涂层

的摩擦磨损性能研究

南京航空航天大学

二О一二年六月

CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能研究

摘要：采用多弧—磁控溅射沉积技术在高速钢基体上沉积了CNx/TiN复合涂层，通过对不同速度、载荷下的摩擦磨损试验前后CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损系数、显微形貌及涂层和对偶球磨损量的观察分析，研究了CNx/TiN复合涂层的摩擦学性能。结果表明，CNx/TiN 复合涂层的平均摩擦系数均较低。在相同的滑动速度l.0m/s下，载荷小于或接近临界载荷时，CNx/TiN复合涂层与对偶球之间的磨损机制主要是磨粒磨损，当载荷大于临界载荷时，随载荷增大逐渐表现为粘着磨损为主要磨损机制。在相同载荷70N下，随着摩擦滑动速度的下降，涂层和对偶球的磨损都有增加，尤其是涂层的磨损增加更加明显，表明CNx/TiN涂层在高速条件下的抗磨损能力高于低速条件。

关键词：复合涂层；临界载荷；磨损机制

1引言

对于相互接触并相对运动的摩擦部件而言，精密度和寿命则为其正常运行的关键问题，而其表面物理、化学、机械性能所决定的摩擦学特性在很大程度上决定了其精密度和寿命。由于表面工程技术和材料科学的发展，可以通过选择、设计复合薄膜或涂层以解决主体材料表面无法满足的技术需要。复合涂层或薄膜（包括摩擦学及光、电、磁和化学等功能涂层）的设计，主要是在按照硬度、强度、机加工等性能要求而选择的主体（基体）材料表面引入一个功能薄膜或涂层以满足或改善材料表面的摩擦学、光、电、磁及化学等性能要求。摩擦学涂层的设计原则主要是通过涂层或薄膜改善或赋予主体材料表面不具备或原本较弱的两类功能，即适宜的摩擦特性和良好的抗磨性能[1]。

涂层根据硬度的不同分为两个部分：（1）硬质涂层的硬度<40GPa，（2）超硬涂层的硬度>40GPa[2]。在大量的硬质材料中，仅有少数的超硬材料:如立方氮化硼（c—BN），非晶类金刚石碳膜，非晶氮化碳和多晶金刚石。但是这些超硬材料是非热力学稳定的，这限制了他们的一些应用。由于TiN具有良好的红硬性、韧性、高温抗氧化性，TiN成为最先被广泛使用的硬质涂层材料。从六十年代末开始，己经广泛地应用于刀具涂层，表面装饰保护，模具耐磨耐蚀涂层。

1989年，Liu[3]根据固体弹性模量的经验公式，应用从头计算方法，从理论上预言了氮化碳的理想结构β-C3N4的硬度接近或超过金刚石的硬度。这种材料含N量达4/7，化学稳定性和热稳定性优良，可以克服金刚石不能加工钢铁的缺点。从此世界各国材料科学家都在致力于这种新型超硬材料的制备。

对于给定的硬质薄膜的摩擦性能主要由膜层的硬度、膜层的抗断裂强度、接触温度、化学成分以及结构决定。对于一定的实际应用条件，可以通过提高膜层

的抗断裂强度，同时保持膜层的现有硬度，提高膜层的摩擦学性能。一种提高膜层抗断裂强度的可行方法为采用交替沉积两种性能或成分不同的材料，形成层状结构，这种多层结构可抑制裂纹的扩展，提高膜层的抗断裂强度。本文采用多弧—磁控溅射沉积技术在高速钢基体上沉积了CNx/TiN复合涂层，并对其摩擦磨损性能进行了测试。

2 CNx/TiN复合涂层的制备

2.1氮化碳（C3N4）超硬涂层材料

Liu等人以C原子取代β-Si3N4中的Si原子设计出β- C3N4，采用不同的思路计算C3N4，考虑了空间群结构，认为至少存在7种C3N4形式：β- C3N4和c - C3N4各有两种结构，a- C3N4，两种类石墨相。其中四面体结构的α、β、c- C3N4是硬质亚稳相，石墨相为软质相，相对稳定。一般认为，在C3N4的生长过程中，由于各项之间的能量差异不大，同时生长是难以避免的。石墨相能量最低极易生长，硬质相中的α- C3N4能量最低，将优先生长，立方相能量较高难以得到。实验合成C3N4的成分和结构相当复杂，是多种结构的混合物以及碳的石墨相，无定型氮化碳等[4]。

2.2 CNx/TiN复合涂层的制备工艺

本文采用多弧—磁控溅射沉积技术制备CNx/TiN复合涂层。多弧—磁控溅射系统共有三个阴极，一个作多弧靶（Ti靶），另外两个作磁控溅射靶（碳靶），衬底为高速钢[5]。工作时同时启动石墨溅射靶和多弧钛靶，随着衬底的旋转，在衬底上生长出CNx/TiN复合交替膜。涂层的平均厚度为3μm。在靶前装有栅网，连接负偏压电源（离子辅助沉积电源）以调节和控制流向衬底的正离子密度和能量。衬底连接偏压电源，安放样品的工件架可调节旋转速度。工作时以高纯氮气和氩气为反应溅射气体。气体通过流量计引入溅射室，调节流量大小来控制溅射气压。多弧—磁控溅射系统如图2.1所示：

图2.1 多弧—磁控溅射系统

1 衬底加热装置

2 石墨溅射靶

3 真空泵

4 偏压电源

5 旋转工件架

6 流量控制计

7 Ar 8N2 9 Ti 多弧靶/挡板

CNx 的晶粒尺寸明显小于TiN ，这是因为磁控溅射生成的C 3N 4存在多相竟相生长的原因，因此形成的晶粒较小;而多弧是蒸发电离Ti +2，反应生成TiN ，反应速度快，因此形成的晶粒尺寸较大。这样，如果最后表面形成的是TiN 层，则表面的粗糙度会大一些[6]。

2.3 CNx/TiN 复合涂层的临界载荷

根据赫兹弹性接触理论：

图2.2 两刚性球形体接触示意图

R 1=R 2，接触应力σ为

其中：v1，v2分别为被测盘材料和对偶球材料的泊松比；E1和E2分别是被测盘材料和对偶球材料的弹性模量；R是对偶球的半径

当赫兹接触应力σ =1/3H（H为材料的硬度）时，弹性形变转变为塑性形变。临界载荷Lc定义为:

这里v1 = v2，增大材料的硬度和球体的曲率半径，都可以使临界载荷增大。

根据临界载荷计算公式，对于CNx/TiN/HSS样品，计算得出HSS衬底的临界载荷为54N。当载荷L>54N时，HSS衬底将开始发生塑性形变，此时CNx/TiN 涂层仍处在弹性形变区域。因此，HSS衬底与CNx/TiN涂层因不同形变产生的的形变差将会在CNx/TiN涂层中产生极大的应力，导致薄膜中产生裂纹，随着裂纹的扩大而产生碎片并出现碎片剥离现象[7]。那么此时的磨损特性就不仅仅是薄膜的本征摩擦磨损特性，必须考虑陶瓷材料的断裂韧性问题。我们选择载荷50N（L<54N）和70N（L>54N）作为载荷摩擦磨损测试条件,其中会存在一个临界载荷，即CNx/TiN复合涂层的临界载荷，影响着薄膜的摩擦磨损特性。

3 CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能

采用划痕法测得的CNx/TiN复合涂层的临界载荷在31.4—80N之间，均大于标准规定的29.4N[6]。接下来对CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能进行研究[8]。

3.1不同载荷下CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能

CNx/TiN复合涂层在50N，l.0m/s下的摩擦摩擦系数是逐渐变小并最终成一稳定值。CNx/TiN涂层并没有大的磨损，没有出现破损和犁沟，只是表面的微凸消失，变得光滑了，类似于“抛光” 效果。这时CNx/TiN涂层的磨损形式为磨粒磨损，表面发生类似于抛光过程的磨损。