论文摘要
物理气相沉积（PVD）方法制备的涂层具有高硬度、耐磨性能良好和化学性能稳定等优点,已经在刀具、模具、汽车及航空航天等行业获得广泛应用。开展PVD涂层的摩擦磨损基础研究能为涂层的制备开发和工业应用提供指导,同时对深化涂层摩擦学基础理论具有重要意义。本文在CETR UMT-2多功能摩擦磨损试验机上,以Si3N4陶瓷球和纯钛球为对磨副,采用球-平面接触方式,对多弧离子镀（MAIP）制备的CrN、AlCrN和AlTiN涂层,磁过滤阴极弧源（FCVA）制备的CrN涂层和磁控溅射制备的WC/C类金刚石涂层进行了往复（双向）和球-盘式（单向）滑动摩擦学试验。采用显微硬度计、纳米压痕仪、表面轮廓仪、扫描电子显微镜（SEM）、电子能谱仪（EDX）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）和电子探针仪（EPMA）等分析手段,系统地研究了PVD涂层的摩擦磨损行为。获得的主要结论如下:1.采用FCVA技术制备了CrN涂层,与MAIP法制备的CrN涂层进行对比,结果表明:FCVA CrN涂层沉积参数对其摩擦磨损特性有很大的影响,大量试验优化了其制备工艺;相比MAIP CrN涂层,FCVA CrN涂层表面更为光滑、致密,“大颗粒”和孔洞缺陷更少,因此表现出更优越的耐磨性。PVD CrN涂层微观结构上的差异导致了在摩擦过程中排屑行为和损伤机制等方面的差异。2.综合对比了CrN、AlCrN和AlTiN涂层的摩擦学行为,研究了PVD涂层成分对涂层摩擦学特性的影响,结果表明:1)正常磨损条件下,CrN涂层的耐磨性优于AlCrN涂层,但高法向载荷条件下CrN涂层磨痕中心最大应力处出现明显的局部严重磨损,AlCrN涂层的优势主要体现在承载能力的提高;2)AlTiN与AlCrN涂层的摩擦磨损特性差异主要源自涂层排屑行为和摩擦化学行为的不同:AlTiN涂层排屑性能较差,磨屑存在摩擦界面加速了涂层的磨损;AlCrN涂层排屑性能良好,磨损表面呈抛光效应,涂层中的Cr元素和Al元素都能同时在摩擦过程中形成稳定、高硬度、耐热的氧化物（Cr2O3、Cr2O5和Al2O3）而保护了涂层。3)AlCrN涂层拥有良好的承载能力和排屑行为,优越的抗磨粒磨损和抗氧化磨损性能。总之,PVD涂层组成成分在摩擦过程中导致了涂层在硬度、承载能力、排屑行为和摩擦化学行为等方面的差异,并最终影响了涂层的摩擦学性能。3.CrN涂层的抗钛粘着性能明显优于AlCrN和AlTiN涂层。AlCrN和AlTiN涂层中的Al元素与Ti摩擦副有很高的亲和力,容易引起钛的粘着,不适合与钛配副的摩擦学应用领域。4.WC/C类金刚石固体润滑涂层在摩擦过程中在对磨球表面形成石墨转移膜,因此涂层表现出良好的润滑效果。与纯钛球配副时,不同滑动模式下涂层的损伤仅表现为极其轻微的磨粒磨损和氧化磨损;与Si3N4球配副时,WC/C涂层在往复滑动模式下的磨损主要表现为塑性流动、磨粒磨损和氧化磨损,在球-盘滑动模式下的磨损主要表现为剥层和氧化磨损,涂层沉积过程所产生的孔洞缺陷是涂层剥落的起始源。研究发现较小的滑动速度有利于转移膜在两种对磨球表面形成。WC/C涂层拥有良好的抗钛粘着性能,在与钛配副的摩擦学应用领域具有巨大潜力。