幾類硬質(zhì)薄膜的摩擦磨損性能測試

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1、幾類硬質(zhì)薄膜的摩擦磨損性能測試華敏奇1張廣安1袁振海2張莎莎31、中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所2、廣州有色金屬研究院3、蘭州華匯儀器科技有限公司摘要：采用摩擦磨損試驗機考察了幾類復(fù)合硬質(zhì)薄膜的摩擦磨損行為，結(jié)果表明：復(fù)合薄膜的摩擦磨損性能均極大提高。CrN基復(fù)合薄膜的硬度與抗磨損性能均較CrN薄膜有極大提高；Al/AlN納米多層膜具有軟質(zhì)Al層和硬質(zhì)AlN層的交替結(jié)構(gòu)，在摩擦過程中，硬質(zhì)AlN層可以起到良好的承載作用，軟質(zhì)層可以起到良好的減摩作用，有效的降低了Al/AlN納米多層膜的摩擦和磨損，具有非常優(yōu)異的摩擦學(xué)性能；Ti-DLC薄膜與Si3N4、鋼、Ti-D

2、LC對摩時，均表現(xiàn)出良好的耐磨減摩性能，但摩擦系數(shù)與磨損率各不相同。硬質(zhì)薄膜材料包括難溶化合物(氮化物、碳化物、氧化物等)、類金剛石碳膜及硬質(zhì)合金等硬度高、耐磨性好，已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。但如何評價硬質(zhì)薄膜的摩擦磨損行為，已經(jīng)成為研究此類硬質(zhì)薄膜的關(guān)鍵問題，主要包括研制各種新型的摩擦學(xué)薄膜材料及摩擦學(xué)性能評價、薄膜的摩擦磨損原理及指導(dǎo)實際工況材料的摩擦學(xué)設(shè)計。本文考察了幾類物理氣相沉積(PVD)復(fù)合硬質(zhì)涂層的摩擦磨損行為，并探討了其摩擦磨損機制。1．實驗過程采用自制的摩擦磨損試驗機評價薄膜的摩擦學(xué)性能,采用往復(fù)滑動方式,頻率為5Hz，單次滑動行程為6mm，，對偶

3、件為GCr15鋼球、氮化硅陶瓷球。采用JSM-5600LV型電子顯微鏡(SEM)觀測磨痕表面形貌。采用MicroXam型三維表面形貌儀測量磨痕輪廓，并計算得到薄膜的磨損率。2．結(jié)果與討論2．1CrN基復(fù)合薄膜采用中頻反應(yīng)磁控濺射制備了CrN與CrSiN、CrAlN復(fù)合薄膜。通過EDS檢測CrSiN復(fù)合薄膜中Si/Si+Cr的相對含量為12.6%，CrAlN復(fù)合薄膜中Al/Al+Cr的相對含量為48.4%。所制備的薄膜均呈現(xiàn)柱狀生長,且連接緊密,間距很小,結(jié)構(gòu)密實,薄膜的厚度約為1-1.5μm。Si與Al的復(fù)合對薄膜的斷面形貌沒有明顯的影響,但薄膜更加致密,柱狀晶

4、粒明顯細化,XRD7結(jié)果也說明薄膜晶粒細化。CrN薄膜的硬度為13.9GPa，復(fù)合薄膜硬度極大提高，CrSiN薄膜硬度達25.6GPa，CrAlN薄膜硬度高達33.4GPa。圖1CrN、CrSiN、CrAlN薄膜同GCr15鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)曲線圖2CrN、CrSiN、CrAlN薄膜同GCr15鋼球?qū)δサ哪ズ圯喞獔D圖4為CrN、CrSiN、CrAlN薄膜在1N載荷下，滑動頻率為5Hz，同GCr15鋼球?qū)δr的摩擦系數(shù)隨滑動時間變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，復(fù)合薄膜的摩擦系數(shù)較CrN薄膜的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，CrAlN薄膜的摩擦系數(shù)與CrN薄膜相近；而CrSiN薄膜的

5、摩擦系數(shù)明顯降低，主要是由于在摩擦過程中薄膜與摩擦副之間形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜與具有潤滑特性的化學(xué)組織（SiO2、Si(OH)4等），薄膜的摩擦系數(shù)降低，達到穩(wěn)定磨損后摩擦系數(shù)約為0.25。圖2為CrN、CrSiN、CrAlN薄膜同GCr15鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)曲線磨痕輪廓圖，可從圖中看出CrN薄膜的墨痕深度達1.4μm，薄膜幾乎被磨穿，而CrSiN與CrAlN薄膜表面的墨痕很淺，僅有幾十nm，CrSiN薄膜的磨損率約為CrN薄膜的1/20，而CrAlN薄膜則沒有計算出磨損率，說明復(fù)合薄膜的抗摩擦磨損性能優(yōu)異。(a)CrN(b)CrSiN(c)CrAlN圖3CrN、Cr

6、SiN、CrAlN薄膜同GCr15鋼球?qū)δサ哪ズ坌蚊矆D3為CrN、CrSiN、CrAlN薄膜磨痕形貌CrN薄膜表面嚴重磨損，出現(xiàn)明顯的剝落痕跡CrSiN與CrAlN表面則沒有出現(xiàn)明顯的剝落痕跡，僅有少量劃痕，說明薄膜自身的強度及韌性非常高，在摩擦磨損過程中煤觀察到薄膜局部的破裂及剝落，其優(yōu)異的摩擦磨損性能歸因于復(fù)合薄膜致密的結(jié)構(gòu)與高硬度。72．2Al/AlN納米多層膜采用磁控濺射系統(tǒng)制備Al、AlN單層膜與Al/AlN納米多層膜，其中薄膜厚度約為300-400nm之間，Al/AlN多層膜調(diào)制周期為4nm，每個周期中Al/AlN厚度為2.9nm/1.1nm。AlN

7、單層膜的硬度較高，約為13GPa左右；Al單層薄膜的硬度較低，約為4GPa左右，但比塊體的硬度高得多，主要是由于薄膜中的晶粒比較小，存在大量的晶界，起到明顯的強化，又由于納米壓痕的壓入深度僅僅是在幾十個納米，所以薄膜表面的輕微氧化也將導(dǎo)致Al單層膜的硬度值升高；Al/AlN納米多層薄膜的硬度為8.8GPa，遠高于采用混合法則計算出的硬度值（6.62GPa），這說明Al/AlN納米多層膜中大量的界面能顯著提高薄膜的整體硬度。圖4Al、AlN單層膜與Al/AlN多層膜同GCr15鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)曲線圖4為Al、AlN單層膜與Al/AlN多層膜在1N載荷下，滑動頻率

8、為5Hz，同GCr15鋼