Page 173 - 《摩擦学学报》2021年第6期

958 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

(a) (b)

P1
P2

300 μm 300 μm

(c) (d)

P3

P4

300 μm 300 μm

Fig. 4 SEM micrographs of wear scars of different ceramic balls after sliding against DLC film:
(a) Al 2 O 3 ；(b) SiC；(c) Si 3 N 4 ；(d) ZrO 2
图 4 与DLC摩擦后不同陶瓷球磨斑的扫描电镜图：(a) Al 2 O 3； (b) SiC；(c) Si 3 N 4； (d) ZrO 2

表 4 与DLC摩擦后陶瓷球磨斑表面典型元素的相对原子分数
Table 4 Relative atomic fractions of the wear scars of ceramic balls after sliding against DLC films

Relative atomic fraction/%
Wear scars of ceramic balls
C O Al Si Zr
80.53 8.69 10.48 − −
Al 2 O 3
SiC 38.48 40.23 − 21.28 −
33.75 42.51 − 23.75 −
Si 3 N 4
26.34 49.26 − − 24.4
ZrO 2
了碳元素，说明陶瓷球上存在DLC薄膜的碳质转移膜. 擦系数波动大且磨痕磨损更明显. ZrO 对偶球对碳的
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其中Al O 对偶球上C原子分数达80.5%，一方面较高 黏着倾向微弱，在摩擦界面形成弱的C-O键，易发生分
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硬度的Al O 球对薄膜造成较强的磨削作用，另一方 离，导致最小的摩擦系数和最轻微的磨损形貌 [18-19] . 另
3
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面Al O 是一种弱Lewis酸，可以被用作碳氢化合物的 外，陶瓷球不易磨损，球面上形成相对稳定的碳质转
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催化剂，在空气中摩擦作用下，Al O 球可能对DLC薄 移膜，减小了球和薄膜受到的摩擦剪切作用，所以陶
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膜进行催化降解，导致DLC的C-H键断裂，薄膜失效， 瓷/DLC摩擦副表现出良好的摩擦学性能. 综合比较分
[17]
宏观上表现为薄膜磨损率大 . 磨损产生大量的碳质 析，由于SiC/DLC和ZrO /DLC中DLC薄膜摩擦系数和
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磨屑填充在磨痕里并随摩擦逐渐转移到球表面形成 磨损率均较低，SiC和ZrO 对偶球的磨斑也较小，因此
2
较厚的转移膜，阻碍了对偶球与过渡层直接接触，降 SiC/DLC和ZrO /DLC是比较合适的摩擦副.
2

低了摩擦作用力从而阻止了薄膜被彻底磨穿，进一步 2.3 DLC薄膜与不同金属球的摩擦磨损性能分析
说明了Al O /DLC虽然磨损严重，但摩擦系数可以保 图5给出了DLC薄膜与4种金属球进行干摩擦的
3
2
持在稳定低水平. 对于SiC和Si N 两种对偶球，Si对碳 实时摩擦曲线、平均摩擦系数和磨损率对比数据图.
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3
[16]
有较强的亲和性，有利于碳质转移膜生成 ，Si N 可 由图5(a)可知，Al/DLC和304SS/DL摩擦副的摩擦系数
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3
能在摩擦界面形成Si-C键，产生较强的黏着，导致摩 曲线变化相对稳定，而Brass/DLC和GCr15/DLC摩擦