Page 102 - 《摩擦学学报》2020年第5期

第 5 期 许蓓蓓, 等: 氮化钒(VN)涂层在不同载荷下的摩擦磨损行为 657

在超高速、高强度和大载荷等苛刻工况下，工业 型单晶Si片.
零部件材料的摩擦磨损现象日益严重，迫切需要发展 沉积涂层之前，基底依次在丙酮和酒精中超声清
先进的工业零部件材料及其表面防护技术 [1-4] . 氮化钒 洗10 min并吹干，将基底固定在工件架上，置于电弧
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(VN)涂层中V元素易氧化生成熔点较低、易于剪切的 靶正前方自转. 腔体加热至450 ℃，待真空抽至3.3×10 Pa
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Magnéli相V O 5 [5-7] . 因此V基涂层的摩擦润滑性能的研 以下，通入40 sccm(cm /min)的氩气，开启线性阳极层
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究尤其受到广泛关注 [8-9] . 离子源，离子源电流设置为0.2 A，功率220 W，通过
VN晶体属于面心立方结构，相比TiN，V-N键结 Ar离子辉光放电对基底表面刻蚀60 min，以去除表面
合较弱，易于断裂，该特性使VN晶体硬度低于TiN，但 杂物. 为提高VN涂层与基底的结合力，在200 sccm
具有比TiN更低的摩擦系数 [8, 10-12] . 目前的研究主要集 (cm /min) 的氩气氛围下制备V过渡层，过渡层厚度为
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中在通过成分和结构调控手段降低VN涂层体系的摩 220 nm. 随后沉积VN涂层，通入的N 流量为550 sccm
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擦系数和磨损率，例如：(1)掺杂元素，如Ag、Mo、Cu、 (cm /min)，偏压为-80 V，靶电流为70 A，沉积时间为
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Si和C等，以提高涂层的硬度进而增加耐磨性 [5, 13-14] . 150 min，厚度为4.5 μm.
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Kong等 和Cai等 指出适量的元素掺杂对提高涂层 1.2 涂层摩擦性能表征
的力学性能和摩擦学性能有显著作用；(2)进行多层结构 采用Center for Tribology UMT-3 型多功能摩擦
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设计，如VN/Ag 、VN/V O 5 [18] 、TiAlN/VN 、TiN/VN 、 测试仪在室温和大气环境下对VN涂层进行摩擦学测
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AlCrN/VN 等，有效控制润滑相的释放速率，从而提 试. 摩擦对偶球选用φ3 mm的Al O ，摩擦形式设置为
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高涂层的润滑性能、力学性能以及使用寿命；(3)进行 往复式运动(见图1)，频率为2 Hz，磨痕长度为5 mm，
表面织构化设计或预先热处理，使涂层表面生成一层 载荷分别为10、15和20 N. 采用Alpha-Step IQ表面轮
V O 和VO 润滑氧化层，以达到降低摩擦系数和磨损
2 5 2 廓仪对磨痕轮廓进行表征，磨损率(K)由公式(1)进行
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率的目的 . 计算：
另一方面，载荷也是影响VN涂层摩擦学性能的
Normal load
Counterparts
重要因素. 黏着摩擦理论和赫兹弹性接触理论表明固 (10 N, 15 N, 20 N) (Al 2 O 3 ball, d: 3 mm)
体润滑涂层的摩擦系数随接触应力的增大而降低 [23-25] .
而当接触应力足够大时，基底发生塑性变形，此时赫
兹弹性接触理论不再适用. 受基底塑性变形的影响，
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摩擦系数随载荷的增加而增大 . 此外，涂层在不同
载荷条件下产生的摩擦热不同，导致氧化程度有所差
[27]
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异，对摩擦性能有一定影响 . Cai等 指出高载荷可
能导致MoS 转移层的结构有序化，从而使涂层具有较
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Sample motion Wear tracks
低的剪切强度和摩擦系数. 即摩擦过程中不同载荷易 (f: 2 Hz) (l: 5 mm)
Fig. 1 Schematic diagram of reciprocating ball-on-disk dry
引起涂层结构的变化，从而影响摩擦性能.
sliding test
目前对VN涂层摩擦学行为的研究中，有关载荷 图 1 往复式干摩擦示意图
影响的报道较少，载荷对其摩擦学性能的作用机制不
明. 因此，本文作者采用阴极真空电弧离子镀技术制 V
K = (1)
备了VN涂层，通过改变载荷研究了VN涂层的摩擦学 FL
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行为，并对其机理进行了解释，为设计高承载耐磨VN 其中：V为磨损体积(mm )，F为施加的载荷(N)，L为摩
基涂层提供技术参考. 擦距离(m).
1.3 组织结构表征及力学性能检测
1 材料与方法
采用场发射扫描电子显微镜(SEM, FEI QUANTA
1.1 涂层制备 250 FEG和Hitachi S4800)观察涂层表面、断面和磨痕
采用阴极电弧离子镀沉积设备，选用质量分数为 形貌，并利用扫描电子显微镜所附的能谱仪(EDS)进
99.9%的V靶，在N 氛围下进行VN涂层制备. 基底选用 行元素成分分析. 采用Zeiss激光共聚焦显微镜对表面
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尺寸为15 mm×15 mm×3 mm的硬质合金(YG8)和P(100) 粗糙度(S )进行测量. 利用BRUKER D8 Advance X射
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