Page 103 - 《摩擦学学报》2020年第5期

658 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

线衍射仪(XRD)分析涂层的相结构，测试选用Cu靶，扫 性K 由公式(2)进行计算：
IC
描范围为35°~85°. 用聚焦离子束(FIB, Auriga, Germany) ( E ) 1 ( P )
2
K IC = b (2)
制备透射电子显微镜(TEM)样品，通过Talos高倍透射 H c 3/2
电子显微镜观察涂层精细结构. 为进一步了解摩擦产 其中：b为常数，其数值取决于压头的几何尺寸，本文
物的物相结构，使用激光源波长为532 nm的激光共聚 中采用的是标准的四面体锥形压头，b取值0.016；E和
焦拉曼光谱仪(In Via-reflex, Renishaw)对磨痕和磨球 H分别为涂层的弹性模量和硬度；P为压痕载荷；c为压

的磨斑进行分析. 痕中心到裂纹尖端的长度，a为压痕对角线长度的一
采用CSM划痕测试仪对涂层与基底的结合力进 半，当c≥2a时，公式(2)适用.
行评价，压头的材质为锥形的金刚石，尖端半径为
2 结果与分析
0.2 mm，锥角为120°，测试时划痕长度为3 mm，载荷
加载速率为100 N/min. 利用MTS NANO G200型纳米 2.1 涂层结构和力学性能
压痕仪测试VN涂层的硬度(H)并根据Oliver-Pharr公 图2为VN涂层表面和截面SEM微观形貌图. 由图2
[29]
式 计算弹性模量数值(E). 选用连续刚度法的压入模 可见，涂层表面分布着不同尺寸的大颗粒和凹坑，大
式，压入深度为1.0 μm. 在不同位置选取6个点进行重 颗粒是由镀膜过程中靶材表面熔融的金属大液滴喷
复测试，以降低测量误差. 纳米压痕测试之前，需要对 溅到涂层表面所致，凹坑则为大颗粒剥落所致. 截面
粗糙的薄膜表面进行抛光处理，使其表面粗糙度低于 形貌显示VN涂层呈柱状结构生长，结构致密，无明显
50 nm. 采用MVS-1000D1维氏压痕在5 N载荷条件下 微观裂纹和孔洞存在. 图3所示为涂层表面粗糙度，大
对涂层的韧性进行评价，利用SEM观察压痕形貌，在 颗粒的存在使涂层表面相对粗糙，表面粗糙度(S )高
a
3个不同位置进行压痕测试并计算断裂韧性. 断裂韧 达0.238±0.23 μm.

4.5 μm

V interlayer
220 nm

5 μm 4 μm

(a) Surface morphology (b) Cross-sectional morphology
Fig. 2 SEM micrographs of the surface morphology and cross-sectional morphology
图 2 VN涂层表面和截面形貌的SEM照片

S a =0.238±0.23 μm 表1中列出了VN涂层的元素组成和硬度以及弹
z/μm 性模量，V的原子分数为62.97 %，N的原子分数为
7.5 33.40 %，V/N原子比为1.88，高于理想的化学计量比，
8 μm
6.0 7 μm
6 μm 其原因主要为高温沉积条件下轻质N元素易被等离子
4.5 5 μm
3.0 4 μm 体轰击而损失. 另外，涂层中存在的少量C元素，则是
3 μm
1.5 2 μm 沉积过程中导致的涂层污染或者吸附在涂层表面形
1 μm
0.0 0 μm 成的杂质所致. 纳米压痕测得的涂层硬度和弹性模量
0 0
2
3
40 40 分别为19.00±1.26 GPa和546.69±20.10 GPa，H /E 和H/E
x/μm 80 80 y/μm 分别为0.024±0.005 9 GPa和0.035±0.003 3，表明涂层的
120
弹性变形和抗塑性变形能力较弱. 图4为VN涂层的
Fig. 3 The surface roughness of the coating
图 3 涂层表面粗糙度 XRD衍射图谱. 结果表明，VN涂层呈NaCl型面心立方