Page 176 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 孙建芳, 等: 钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究 961

表 6 与DLC摩擦后的金属球磨斑表面典型元素的相对原子分数
Table 6 Relative atomic fractions of the wear scars of metal balls after sliding against DLC films

Relative atomic fraction/%
Wear scars of metal balls
C O Al Fe Cu Zn Others
Al 14.73 56.53 28.75 − − − −
Brass 47.88 26.04 − − 16.22 9.86 −
304SS 25.59 21.46 − 38.17 0.4 − 14.38
GCr15 23.84 13.10 − 60.36 − − 2.7

( ) 1
了金属球的磨损，导致DLC薄膜的碳质转移膜不能稳 a = 3FR 3 (1)
4E ′
定地保持在金属球表面，从而造成金属球自身磨损较
式中：a为接触半径(mm)，F为法向载荷(N)，R为球的
大，减摩抗磨作用相对较差. 通过EDS分别测试图7中
半径(mm)，Eʹ为有效弹性模量(GPa)，Eʹ可按式(2)计算.
金属球磨斑P1、P2、P3和P4区域的化学元素，典型元素
1 2 2
的相对原子分数如表6所示. 由表4和表6比较可知，所 = 1−υ 1 + 1−υ 2 (2)
E ′ E 1 E 2
有金属球的磨斑上的碳元素含量都低于陶瓷球，进一
式中：E 和E 、υ 和υ 分别为DLC薄膜和对偶材料的弹
1
1
2
2
步表明碳质转移膜随金属磨损而流失，所以陶瓷/DLC
性模量(单位GPa)、泊松比. 表7给出了计算得到的有
摩擦副比金属/DLC摩擦副表现出更好的摩擦学性能.
效弹性模量和接触半径.
综合分析，由于304SS/DLC和GCr15/DLC中DLC薄膜
不同摩擦副的接触半径与摩擦系数的关系如图8
具有相对较低的摩擦系数和磨损率以及对偶球的磨
所示. 图8(a)中，对于陶瓷/DLC摩擦副，摩擦系数的变
斑也较小，因此，304SS/DLC和GCr15/DLC是比较合
化趋势与接触半径相似，表明摩擦系数与接触半径存
适的摩擦副.
在某种相关性. 摩擦系数和球面上碳质转移膜的形成
2.4 对偶球接触半径与摩擦系数的关系 有关，球-盘的接触面积随接触半径的减小而减小，较
赫兹接触半径与摩擦系数的关系通常可以用来 小的接触面积增加了转移膜的有效覆盖区域 . 由表7
[27]
分析DLC薄膜的摩擦学性能 [25-26] . 因此引入了赫兹接 可知，ZrO /DLC和SiC/DLC的接触半径分别为0.061 9
2
触分析，接触半径可由式(1)计算. 和0.060 7 mm，而ZrO /DLC的摩擦系数比SiC/DLC降
2
表 7 摩擦配副的有效弹性模量和接触半径
Table 7 Effective elastic modulus and Hertzian contact radius of the counterpart balls

Mating materials Al 2 O 3 SiC Si 3 N 4 ZrO 2 Al Brass 304SS GCr15
Effective elastic modulus/GPa 82.6 100.2 93.5 94.6 48.8 57.9 80.2 82.3
−2
Contact radius/(10 mm) 6.48 6.07 6.22 6.19 7.72 7.29 6.55 6.49

7.0 0.12 8.0 0.30
(a) Contact radius 7.8 (b) Contact radius
6.8 Average friction coefficient 0.11 7.6 Average friction coefficient 0.25
Contact radius/10 −2 mm 6.4 0.10 Average friction coefficient Contact radius/10 −2 mm 7.2 0.20 Average friction coefficient
6.6
7.4
7.0
6.2
0.09
6.8
6.0
6.4
5.8 0.08 6.6 0.15
6.2
5.6 0.07 6.0 0.10
SiC Al Brass 304SS GCr15
Al 2 O 3 Si 3 N 4 ZrO 2
Mating materials Mating materials

Fig. 8 Relationship between Hertzian contact radius and friction coefficients for DLC film with (a) ceramics
and (b) metal mating balls
图 8 DLC薄膜与(a)陶瓷球及(b)金属球的赫兹接触半径与摩擦系数的关系