物理氣相沉積CrN和AlCrN涂層轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)摩擦磨損性能研究.pdf

1、物理氣相沉積(簡(jiǎn)稱PVD)技術(shù)制備的CrN涂層以及CrN加入Al后形成的三元Cr-Al-N系涂層具有優(yōu)良的綜合性能,已被成功用于刀具、模具、軸承和活塞環(huán)等耐磨零件表面,其中高Al含量的AlCrN涂層由于其優(yōu)越的抗高溫氧化和磨粒磨損性能更是成為新一代三元PVD氮化物涂層最典型的代表。轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)磨損是在交變載荷下接觸副發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的磨損。轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)現(xiàn)象廣泛的存在于工業(yè)設(shè)備、民用機(jī)械及醫(yī)療器械中,其造成的事故比比皆是,每年由于轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)

2、磨損帶來(lái)的損失不可估量。涂層材料對(duì)微動(dòng)磨損與疲勞有很好的防護(hù)作用,而CrN和AlCrN涂層作為耐磨涂層用于解決轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)模式下磨損問(wèn)題有著很大的前景,如應(yīng)用在高檔主軸承和球閥等零部件中表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性,然而迄今為止關(guān)于這兩種涂層的轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)摩擦磨損特性的研究鮮見報(bào)道。
　　 本文利用新型轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置,采用球／平面接觸,對(duì)磨副為Si3N4陶瓷球,研究了物理氣相沉積制備的CrN和AlCrN涂層在不同法向載荷(Fn=10N、2

3、0N、40N)和不同轉(zhuǎn)動(dòng)角位移幅值(θ=-0.125°、0.25°、0.5°、1°、2°)條件下的轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)摩擦磨損行為。在分析摩擦動(dòng)力學(xué)行為的基礎(chǔ)上,用掃描電子顯微鏡(SEM)、表面輪廓儀、電子能譜儀(EDX)分別對(duì)涂層的磨損形貌、磨痕輪廓、磨損表面和磨屑的成分進(jìn)行微觀分析,對(duì)兩種涂層轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)損傷特征進(jìn)行了討論,得到以下結(jié)論:
　　 1.轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)參數(shù)對(duì)CrN和AlCrN涂層的界面摩擦狀態(tài)具有重要影響,兩種涂層的轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域依

4、賴于法向載荷和轉(zhuǎn)角位移幅值,隨著法向載荷的降低或轉(zhuǎn)角位移幅值的增加,涂層轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)從部分滑移向完全滑移轉(zhuǎn)變,相同工況下AlCrN涂層較CrN涂層更容易趨于部分滑移狀態(tài)。
　　 2.CrN和AlCrN涂層的摩擦系數(shù)演變趨勢(shì)極大地取決于所對(duì)應(yīng)的微動(dòng)狀態(tài),涂層在完全滑移狀態(tài)下的摩擦系數(shù)較部分滑移的高,兩種涂層摩擦系數(shù)值隨法向載荷的增大而降低,隨轉(zhuǎn)動(dòng)角位移幅值增大而增大,摩擦系數(shù)爬升階段對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)隨著法向載荷的增大而明顯增加,但隨轉(zhuǎn)動(dòng)

5、角位移幅值增大而減少。在高載荷(Fn=40N)時(shí),不同轉(zhuǎn)角位移幅值下CrN涂層的摩擦系數(shù)穩(wěn)定值都明顯較AlCrN涂層的低。AlCrN涂層摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)角位移幅值的增大而明顯增大,且曲線走勢(shì)存在明顯差異,而轉(zhuǎn)角位移幅值的變化對(duì)CrN涂層的摩擦系數(shù)值影響不大。
　　 3.兩種涂層在摩擦界面為部分滑移狀態(tài)時(shí),摩擦界面損傷較為輕微,產(chǎn)生的磨屑很少,而在完全滑移狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)磨損損傷是二體作用和三體作用共同作用的結(jié)果,角位移幅值的增大涂層進(jìn)

6、入完全滑移狀態(tài)后的損傷明顯加重,產(chǎn)生較多的磨屑并分布在磨痕兩端。高法向載荷(Fn=40N)下,轉(zhuǎn)角位移幅值對(duì)兩種涂層的轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)損傷行為有重要影響,轉(zhuǎn)動(dòng)角位移幅值由1°增大為2°后,兩種涂層在磨痕中心處的磨損特征以及排屑行為都存在明顯的差異,主要為CrN涂層磨痕內(nèi)有較明顯的磨屑碾壓堆積,而AlCrN涂層具有較好的排屑行為,磨痕中心處有明顯的塑性累積隆起的痕跡。完全滑移狀態(tài)下兩種涂層的損傷隨轉(zhuǎn)角位移幅值的增大而明顯加重,但磨損機(jī)理都主要為磨