第12期 孔德军等：阴极弧离子镀TiAISiN涂层摩擦与磨损行为 ·1625· 2.4摩擦因数 0.70 图5为摩擦因数与磨损时间的关系曲线，涂层 0.65 试运行阶段 在整个磨损实验时间(0~1800s)内摩擦因数平均值 0.60 波动阶段 稳定阶段 为0.493.摩擦因数分为三个阶段：(1)试运行阶段 0.55 (0~200s),摩擦因数由0.35迅速上升至0.693，出 0.50 现了一个峰值，经过短暂的磨合后，摩擦因数呈现 下降势态.在摩擦初期，在载荷重力作用下因涂层 0.40 表面粗糙度相对较大，显微突起的金属间氧化物压 0.35 入摩擦副较深，试样做恒定往复运动的摩擦阻力较 0.30 0 20040060080010001200140016001800 大，因而摩擦因数比较大，在0.3070.693范围内， 磨损时间/s 均值为0.533，在三阶段中摩擦因数最大.同时涂层 图5 TiAISiN涂层的摩擦因数与时间关系 的硬质粒子氧化物颗粒会导致对摩擦副钢球产生磨 Fig.5 Relationship between the friction coefficient of 粒磨损，加大摩擦因数.(2)波动阶段(201~800s), TiAlSiN coating and wear time 摩擦因数在0.4350.541变化，出现了谷值，均值为 2.5磨损后表面与能谱分析 0.477.此阶段随着涂层表面粗糙度变小，摩擦因数 图6为5.88N载荷条件下磨损后涂层形貌，在 出现了一个谷值，但随后因为钢球表面粗糙度的增 摩擦副钢球经过的磨损表面出现明显的磨损痕迹， 加，又引起了摩擦因数呈现上升的趋势.（③）稳定阶 底部比较平坦，没有发生脆性破裂现象.磨损后涂 段(801~1800s),摩擦因数在0.435~0.533范围内， 层的起始端A(图6(a)和结束端B(图6(c)的形貌 均值为0.488.随着磨损实验的进行，对摩擦副表面 基本相似，磨损表面沿滑移方向存在大量划痕，是 粗糙度趋于平稳，减小了涂层发生黏附的倾向，使 由于Si元素提高了涂层的塑性变形能力，使得 得磨损能量丧失有所降低，减轻涂层的磨损.此阶 涂层呈韧性的片状剥落，其磨损形式表现为磨粒磨 段涂层摩擦因数低于平均值，变化趋于平稳状态 损，在磨损期内磨损失重为0.0039g 摩擦唐损方向 15kV×100100 SEM-KING 15 kV x25 1pimn SEM-KING 15 kV x100100 SEML-KING 图6 TiAISIN涂层磨损后表面形貌.(a)起始端A形貌：(b)磨损后全貌：(C)结束端B形貌 Fig.6 Surface morphologies of the TiAlSiN coating after wear:(a)morphology of starting A;(b)whole morphology of wear; (c)morphology of ending B 对应于图5中磨损实验的三个阶段，涂层的 表面元素（质量分数，%）为C4.83、N25.05、0 磨损痕迹和能谱分析如图7所示.(1)试运行阶段， 1.13、A135.21、Si0.71、Ti31.89和Ni1.18,与试 涂层表面产生了磨粒磨损，引起了表面粗糙度增大， 运行阶段相比，表面化学元素变化不大，如图7(e) 此时摩擦因数变化较大，由能谱分析得涂层表面元 所示.（③）稳定阶段，如图7()所示，磨损后涂层表 素（质量分数，%）为C7.32、N28.40、01.13、A1 面元素（质量分数，%）为C3.16、N13.58、01.41、A1 33.11、Si0.50、Ti28.54和Ni1.00,如图7(d)所示.24.32、Si1.53、Ti31.56、Ni13.45、Cr5.73和Fe5.26 其中Ti、Al、Si和N为涂层自身的元素，约占总 由图7中能谱仪分析结果可知，O和Si元素含量 质量的90.55%.C和0元素占总质量的8.45%，是 在试运行阶段、波动阶段和稳定阶段表现为增加的 由于对磨副G15淬火钢球残留在涂层表面所引起，趋势，说明在摩擦副接触面上微凸体发生了机械混 为杂质元素.Ni元素占总质量的1.00%，是由于磨 合过程2，形成了S的氧化物，起到固体润滑剂 损后涂层比较薄，X射线透过涂层测得的基体中Ni 的作用3，减小了涂层摩擦因数 元素含量.(2)波动阶段，涂层表面粗糙度比试运行 2.6磨损痕迹面能谱分析 阶段有所减小，引起了摩擦因数的变化，此时涂层 磨损后涂层表面形貌如图8(a)所示.图8(b)~()第 12 期 孔德军等：阴极弧离子镀 TiAlSiN 涂层摩擦与磨损行为 1625 ·· 2.4 摩擦因数 图 5 为摩擦因数与磨损时间的关系曲线，涂层 在整个磨损实验时间 (0∼1800 s) 内摩擦因数平均值 为 0.493. 摩擦因数分为三个阶段：(1) 试运行阶段 (0∼200 s)，摩擦因数由 0.35 迅速上升至 0.693，出 现了一个峰值，经过短暂的磨合后，摩擦因数呈现 下降势态. 在摩擦初期，在载荷重力作用下因涂层 表面粗糙度相对较大，显微突起的金属间氧化物压 入摩擦副较深，试样做恒定往复运动的摩擦阻力较 大，因而摩擦因数比较大，在 0.307∼0.693 范围内， 均值为 0.533，在三阶段中摩擦因数最大. 同时涂层 的硬质粒子氧化物颗粒会导致对摩擦副钢球产生磨 粒磨损，加大摩擦因数. (2) 波动阶段 (201∼800 s)， 摩擦因数在 0.435∼0.541 变化，出现了谷值，均值为 0.477. 此阶段随着涂层表面粗糙度变小，摩擦因数 出现了一个谷值，但随后因为钢球表面粗糙度的增 加，又引起了摩擦因数呈现上升的趋势. (3) 稳定阶 段 (801∼1800 s)，摩擦因数在 0.435∼0.533 范围内， 均值为 0.488. 随着磨损实验的进行，对摩擦副表面 粗糙度趋于平稳，减小了涂层发生黏附的倾向，使 得磨损能量丧失有所降低，减轻涂层的磨损. 此阶 段涂层摩擦因数低 于平均值，变化趋于平稳状态. 图 5 TiAlSiN 涂层的摩擦因数与时间关系 Fig.5 Relationship between the friction coefficient of TiAlSiN coating and wear time 2.5 磨损后表面与能谱分析 图 6 为 5.88 N 载荷条件下磨损后涂层形貌，在 摩擦副钢球经过的磨损表面出现明显的磨损痕迹， 底部比较平坦，没有发生脆性破裂现象. 磨损后涂 层的起始端 A(图 6(a)) 和结束端 B(图 6(c)) 的形貌 基本相似，磨损表面沿滑移方向存在大量划痕，是 由于 Si 元素提高了涂层的塑性变形能力 [11]，使得 涂层呈韧性的片状剥落，其磨损形式表现为磨粒磨 损，在磨损期内磨损失重为 0.0039 g. 图 6 TiAlSiN 涂层磨损后表面形貌. (a) 起始端 A 形貌; (b) 磨损后全貌; (c) 结束端 B 形貌 Fig.6 Surface morphologies of the TiAlSiN coating after wear: (a) morphology of starting A; (b) whole morphology of wear; (c) morphology of ending B 对应于图 5 中磨损实验的三个阶段，涂层的 磨损痕迹和能谱分析如图 7 所示. (1) 试运行阶段， 涂层表面产生了磨粒磨损，引起了表面粗糙度增大， 此时摩擦因数变化较大，由能谱分析得涂层表面元 素 (质量分数，%) 为 C 7.32、N 28.40、O 1.13、Al 33.11、Si 0.50、Ti 28.54 和 Ni 1.00，如图 7(d) 所示. 其中 Ti、Al、Si 和 N 为涂层自身的元素，约占总 质量的 90.55%. C 和 O 元素占总质量的 8.45%，是 由于对磨副 Gr15 淬火钢球残留在涂层表面所引起， 为杂质元素. Ni 元素占总质量的 1.00%，是由于磨 损后涂层比较薄，X 射线透过涂层测得的基体中Ni 元素含量. (2) 波动阶段，涂层表面粗糙度比试运行 阶段有所减小，引起了摩擦因数的变化，此时涂层 表面元素 (质量分数，%) 为 C 4.83、N 25.05、O 1.13、Al 35.21、Si 0.71、Ti 31.89 和 Ni 1.18，与试 运行阶段相比，表面化学元素变化不大，如图 7(e) 所示. (3) 稳定阶段，如图7(f) 所示，磨损后涂层表 面元素 (质量分数，%) 为 C 3.16、N 13.58、O 1.41、Al 24.32、Si 1.53、Ti 31.56、Ni 13.45、Cr 5.73 和Fe 5.26. 由图 7 中能谱仪分析结果可知，O 和 Si 元素含量 在试运行阶段、波动阶段和稳定阶段表现为增加的 趋势，说明在摩擦副接触面上微凸体发生了机械混 合过程 [12]，形成了 Si 的氧化物，起到固体润滑剂 的作用 [13]，减小了涂层摩擦因数. 2.6 磨损痕迹面能谱分析 磨损后涂层表面形貌如图8(a)所示. 图 8(b)∼(i)