几类硬质薄膜的摩擦磨损性能测试

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1、几类硬质薄膜的摩擦磨损性能测试华敏奇1张广安1袁振海2张莎莎31、中国科学院兰州化学物理研究所2、广州有色金属研究院3、兰州华汇仪器科技有限公司摘要：采用摩擦磨损试验机考察了几类复合硬质薄膜的摩擦磨损行为，结果表明：复合薄膜的摩擦磨损性能均极大提高。CrN基复合薄膜的硬度与抗磨损性能均较CrN薄膜有极大提高；Al/AlN纳米多层膜具有软质Al层和硬质AlN层的交替结构，在摩擦过程中，硬质AlN层可以起到良好的承载作用，软质层可以起到良好的减摩作用，有效的降低了Al/AlN纳米多层膜的摩擦和磨损，具有非常优异的摩擦学性能；Ti-DLC薄膜与Si3N4、钢、Ti-D

2、LC对摩时，均表现出良好的耐磨减摩性能，但摩擦系数与磨损率各不相同。硬质薄膜材料包括难溶化合物(氮化物、碳化物、氧化物等)、类金刚石碳膜及硬质合金等硬度高、耐磨性好，已经取得了广泛的应用。但如何评价硬质薄膜的摩擦磨损行为，已经成为研究此类硬质薄膜的关键问题，主要包括研制各种新型的摩擦学薄膜材料及摩擦学性能评价、薄膜的摩擦磨损原理及指导实际工况材料的摩擦学设计。本文考察了几类物理气相沉积(PVD)复合硬质涂层的摩擦磨损行为，并探讨了其摩擦磨损机制。1．实验过程采用自制的摩擦磨损试验机评价薄膜的摩擦学性能,采用往复滑动方式,频率为5Hz，单次滑动行程为6mm，，对偶

3、件为GCr15钢球、氮化硅陶瓷球。采用JSM-5600LV型电子显微镜(SEM)观测磨痕表面形貌。采用MicroXam型三维表面形貌仪测量磨痕轮廓，并计算得到薄膜的磨损率。2．结果与讨论2．1CrN基复合薄膜采用中频反应磁控溅射制备了CrN与CrSiN、CrAlN复合薄膜。通过EDS检测CrSiN复合薄膜中Si/Si+Cr的相对含量为12.6%，CrAlN复合薄膜中Al/Al+Cr的相对含量为48.4%。所制备的薄膜均呈现柱状生长,且连接紧密,间距很小,结构密实,薄膜的厚度约为1-1.5μm。Si与Al的复合对薄膜的断面形貌没有明显的影响,但薄膜更加致密,柱状晶

4、粒明显细化,XRD7结果也说明薄膜晶粒细化。CrN薄膜的硬度为13.9GPa，复合薄膜硬度极大提高，CrSiN薄膜硬度达25.6GPa，CrAlN薄膜硬度高达33.4GPa。图1CrN、CrSiN、CrAlN薄膜同GCr15钢球对磨的摩擦系数曲线图2CrN、CrSiN、CrAlN薄膜同GCr15钢球对磨的磨痕轮廓图图4为CrN、CrSiN、CrAlN薄膜在1N载荷下，滑动频率为5Hz，同GCr15钢球对磨时的摩擦系数随滑动时间变化的关系曲线。从图中可以看出，复合薄膜的摩擦系数较CrN薄膜的摩擦系数稳定，CrAlN薄膜的摩擦系数与CrN薄膜相近；而CrSiN薄膜的

5、摩擦系数明显降低，主要是由于在摩擦过程中薄膜与摩擦副之间形成稳定的转移膜与具有润滑特性的化学组织（SiO2、Si(OH)4等），薄膜的摩擦系数降低，达到稳定磨损后摩擦系数约为0.25。图2为CrN、CrSiN、CrAlN薄膜同GCr15钢球对磨的摩擦系数曲线磨痕轮廓图，可从图中看出CrN薄膜的墨痕深度达1.4μm，薄膜几乎被磨穿，而CrSiN与CrAlN薄膜表面的墨痕很浅，仅有几十nm，CrSiN薄膜的磨损率约为CrN薄膜的1/20，而CrAlN薄膜则没有计算出磨损率，说明复合薄膜的抗摩擦磨损性能优异。(a)CrN(b)CrSiN(c)CrAlN图3CrN、Cr

6、SiN、CrAlN薄膜同GCr15钢球对磨的磨痕形貌图3为CrN、CrSiN、CrAlN薄膜磨痕形貌CrN薄膜表面严重磨损，出现明显的剥落痕迹CrSiN与CrAlN表面则没有出现明显的剥落痕迹，仅有少量划痕，说明薄膜自身的强度及韧性非常高，在摩擦磨损过程中煤观察到薄膜局部的破裂及剥落，其优异的摩擦磨损性能归因于复合薄膜致密的结构与高硬度。72．2Al/AlN纳米多层膜采用磁控溅射系统制备Al、AlN单层膜与Al/AlN纳米多层膜，其中薄膜厚度约为300-400nm之间，Al/AlN多层膜调制周期为4nm，每个周期中Al/AlN厚度为2.9nm/1.1nm。AlN

7、单层膜的硬度较高，约为13GPa左右；Al单层薄膜的硬度较低，约为4GPa左右，但比块体的硬度高得多，主要是由于薄膜中的晶粒比较小，存在大量的晶界，起到明显的强化，又由于纳米压痕的压入深度仅仅是在几十个纳米，所以薄膜表面的轻微氧化也将导致Al单层膜的硬度值升高；Al/AlN纳米多层薄膜的硬度为8.8GPa，远高于采用混合法则计算出的硬度值（6.62GPa），这说明Al/AlN纳米多层膜中大量的界面能显著提高薄膜的整体硬度。图4Al、AlN单层膜与Al/AlN多层膜同GCr15钢球对磨的摩擦系数曲线图4为Al、AlN单层膜与Al/AlN多层膜在1N载荷下，滑动频率

8、为5Hz，同GCr15钢