Page 104 - 《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 659

表 1 VN涂层的元素组成及力学性能
Table 1 The composition and mechanical properties of VN coating
Atomic fraction/%
3
2
Sample V/N ratio Hardness/GPa Elastic modulus/GPa H/E H /E /GPa
V N C
VN 62.97 33.40 3.63 1.88 19.00±1.26 546.69±20.10 0.035±0.003 3 0.024±0.005 9
且基底连续暴露时对应的载荷定义为膜基结合力(临
— VN
S — Substrate [31]
界载荷) . 图6(b)显示划痕测试过程中声发射信号在80 N
(200) (311) 左右急剧增加并出现明显波动，但对比划痕形貌发现
Intensity/a.u. (220) S S 该载荷下涂层并未出现剥落. Sveen 等 指出在划痕
(111)
[31]
测试时涂层中的大颗粒影响声发射信号，故临界载荷
S
S
的数值需结合划痕形貌与声发射信号判断. 观察划痕
形貌可知，VN涂层在载荷为114.8 N时，涂层内部开始
出现大面积剥落并且基底局部开始暴露，即VN涂层
40 60 70 80 与基底的结合力为114.8 N. 另外，涂层在200 N载荷的
2θ/(°)
压入下未完全崩落，表明涂层与基底结合良好.
Fig. 4 XRD pattern of VN coating
2.2 不同载荷下涂层的摩擦性能
图 4 VN涂层的XRD图谱
图7为室温下VN涂层在10、15和20 N载荷下的摩
结构(fcc)，其衍射峰分别为(111)、(200)、(220)、(311). 擦曲线、平均摩擦系数和磨损率. 不同载荷下的摩擦
TEM图显示涂层由两层组成，即V过渡层内层和VN外 曲线趋势相似，前600 s为跑合阶段，其中0~300 s内摩

层(见图5)，与SEM结果一致. 由SAED图观察到(200) 擦系数逐渐增加，最高达0.42，这是由较大的表面粗糙
和(111)衍射环，与XRD结果一致. 度以及缺少润滑氧化相所致；300~600 s内，随摩擦时
图6(a)所示为VN涂层的维氏压痕形貌照片. 压痕 间延长，摩擦系数明显降低. 经600 s磨合期后，摩擦曲
内部涂层完整，无环形裂纹出现，而外部出现明显的 线呈下降趋势并逐渐稳定. 载荷为10和15 N时，稳态
径向裂纹，表明涂层韧性相对较差. 断裂韧性K 代表 期的摩擦系数相差不大，15 N的摩擦系数略低于10 N；
IC
从变形到断裂的过程中抵抗裂纹扩展的能力，是材料 增加载荷到20 N，稳态期的摩擦系数陡然降低，并保
的重要力学性能之一，经计算，VN涂层的断裂韧性值 持在0.30左右. 由平均摩擦系数可知，不同载荷下，由
1/2
为2.87±0.64 MPa·m . Wang等 [30] 在研究V-Al-C-N涂 于VN涂层结构致密、硬度高以及与基底结合良好等
层的力学性能时，指出维氏压痕形貌外部径向裂纹较 特点，摩擦系数均低于0.4，随着载荷增加，摩擦系数
少，并且H/E值接近0.1时涂层具有良好的韧性，对比 降低，20 N时摩擦系数与10 N时相比降低了15 %. 观
可知VN涂层韧性不理想. 采用划痕仪对涂层进行测 察磨损率可知，由于涂层韧性、弹性变形能力及抗塑
试，用光学显微镜观察划痕形貌，将涂层出现剥落并 性变形能力较差等原因，磨损率较高. 另外，随着载荷

(200)
(111)
VN (200)
Si substrate
V interlayer
Growth direction

100 nm 10 nm 10 nm

(a) TEM (b) HRTEM (c) SAED
Fig. 5 TEM micrographs of VN coating
图 5 VN涂层的TEM照片