《材料的摩擦与磨损》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的摩擦与磨损（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料的摩擦与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/s下，载荷小于或接近临界载荷时，
2、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
3、薄膜的设计，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：硬质涂层的硬度40GPa2。在大量的硬质材料中，仅有少数的超硬材料:如立方氮化硼，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
4、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，Liu3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-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，
5、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。2CNx/TiN复合涂层的制备氮化碳超硬涂层材料Liu等人以C原子取代-Si3N4中的Si原子设计出-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：-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、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，
6、硬质相中的-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。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，另外两个作磁控溅射靶，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3m。在靶前装有栅网，连接负偏压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
7、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所示：图多弧磁控溅射系统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7Ar8N29Ti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C3N4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。CNx/TiN复合涂层的临界载荷根据赫兹弹性接触理论：图两刚性球形体接触示意图R1=R2，接触应力为其中：v1，v2分别为被测盘材料和对偶球材料的泊松比；E1和
8、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=1/3H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L54N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
9、性，必须考虑陶瓷材料的断裂韧性问题。我们选择载荷50N和70N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。3CNx/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80N之间，均大于标准规定的6。接下来对CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能进行研究8。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，/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
10、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。表面摩擦与磨损一、摩擦与磨损的定义摩擦的定义是:两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。磨损的定义是:任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。据估计消耗在摩擦过程中的能量约占世界工业能耗的30%。在机器工作过程中，磨损会造成零件的表面形状和尺寸缓慢而连续损坏，使得机器的工作性能与可靠性逐渐降低，甚至可能导致零件的突然破坏。人类很早就开始对摩擦现象进行研究，取得了大量的成果，特别是近几十年来已在一些机器或零件的设计中考虑了磨损寿命问题。在零件的结构设
11、计、材料选用、加工制造、表面强化处理、润滑剂的选用、操作与维修等方面采取措施，可以有效地解决零件的摩擦磨损问题，提高机器的工作效率，减少能量损失，降低材料消耗，保证机器工作的可靠性。二、摩擦的分类及评价方法在机器工作时，零件之间不但相互接触，而且接触的表面之间还存在着相对运动。从摩擦学的角度看，这种存在相互运动的接触面可以看作为摩擦副。有四种摩擦分类方式：按照摩擦副的运动状态分类、按照摩擦副的运动形式分类、按照摩擦副表面的润滑状态分类、按照摩擦副所处的工况条件分类。这里主要以根据摩擦副之间的状态不同分类，摩擦可以分为：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦，如图21所示。图2-1摩擦状态1、干摩
12、擦当摩擦副表面间不加任何润滑剂时，将出现固体表面直接接触的摩擦，工程上称为干摩擦。此时，两摩擦表面间的相对运动将消耗大量的能量并造成严重的表面磨损。这种摩擦状态是失效，在机器工作时是不允许出现的。由于任何零件的表面都会因为氧化而形成氧化膜或被润滑油所湿润，所以在工程实际中，并不存在真正的干摩擦。2、边界摩擦当摩擦副表面间有润滑油存在时，由于润滑油与金属表面间的物理吸附作用和化学吸附作用，润滑油会在金属表面上形成极薄的边界膜。边界膜的厚度非常小，通常只有几个分子到十几个分子厚，不足以将微观不平的两金属表面分隔开，所以相互运动时，金属表面的微凸出部分将发生接触，这种状态称为边界摩擦。当摩擦副表面覆
13、盖一层边界膜后，虽然表面磨损不能消除，但可以起着减小摩擦与减轻磨损的作用。与干摩擦状态相比，边界摩擦状态时的摩擦系数要小的多。在机器工作时，零件的工作温度、速度和载荷大小等因素都会对边界膜产生影响，甚至造成边界膜破裂。因此，在边界摩擦状态下，保持边界膜不破裂十分重要。在工程中，经常通过合理地设计摩擦副的形状，选择合适的摩擦副材料与润滑剂，降低表面粗糙度，在润滑剂中加入适当的油性添加剂和极压添加剂等措施来提高边界膜的强度。3、流体摩擦当摩擦副表面间形成的油膜厚度达到足以将两个表面的微凸出部分完全分开时，摩擦副之间的摩擦就转变为油膜之间的摩擦，这称为流体摩擦。形成流体摩擦的方式有两种：一是通过液压
14、系统向摩擦面之间供给压力油，强制形成压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体静压摩擦；二是通过两摩擦表面在满足一定的条件下，相对运动时产生的压力油膜隔开摩擦表面，这称为流体动压摩擦。流体摩擦是在流体内部的分子间进行的，所以摩擦系数极小。4、混合摩擦当摩擦副表面间处在边界摩擦与流体摩擦的混合状态时，称为混合摩擦。在一般机器中，摩擦表面多处于混合摩擦状态。混合摩擦时，表面间的微凸出部分仍有直接接触，磨损仍然存在。但是，由于混合摩擦时的流体膜厚度要比边界摩擦时的厚，减小了微凸出部分的接触数量，同时增加了流体膜承载的比例，所以混合摩擦状态时的摩擦系数要比边界摩擦时小得多。三、磨损的分类及评价方法摩擦副表面间的
15、摩擦造成表面材料逐渐地损失的现象称为磨损。零件表面磨损后不但会影响其正常工作，如齿轮和滚动轴承的工作噪声增大，而承载能力降低，同时还会影响机器的工作性能，如工作精度、效率和可靠性降低，噪声与能耗增大，甚至造成机器报废。通常，零件的磨损是很难避免的。但是，只要在设计时注意考虑避免或减轻磨损，在制造时注意保证加工质量，而在使用时注意操作与维护，就可以在规定的年限内，使零件的磨损量控制在允许的范围内，就属于正常磨损。另一方面，工程上也有不少利用磨损的场合，如研磨、跑合过程就是有用的磨损。图3-1零件的磨损曲线工程实践表明，机械零件的正常磨损过程大致分为三个阶段：初期磨损阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，如图3-1所示。1)初期磨损阶段由图31可见，机械零件在初期磨损阶段的特点是在较短的工作时间内，表面发生了较大的磨损量。这是由于零件刚开始工作时，表面微凸出部分的曲率半径小，实际接触面积小，造成较大的接触压强，同时曲率半径小也不利于润滑油膜的形成与稳定。所以，在开始工作的较短时间内磨损量较大。2)稳定磨损阶段经过初期磨损阶段后，零件表面磨损的很缓慢。这是由于经过初期磨损阶段后，表面微凸出部分的曲率半径增大，高度降低，接触面积增大，使
