Page 105 - 《摩擦学学报》2020年第5期

660 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

Applied load/N
0 40 80 120 160 200
Radial 120
cracks c 240
100
200
Normal force/N 160 80 Acoustic emission/%
60
120
80
40 40
20
a
0
0
10 μm 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Scratch distance/mm
(a) Surface morphology of Vickers indentation (b) Acoustic emission signal and scratch morphology
Fig. 6 The surface morphology of Vickers indentation of VN coating and acoustic emission signal as well as the
scratch morphology obtained in the scratch tests
图 6 VN涂层维氏压痕形貌图以及声发射信号和划痕形貌图

0.38 22
0.45 10 N Friction coefficient 20
15 N 0.37 Wear rate
20 N 0.36 18
0.40
Friction coefficient 0.35 Friction coefficient 0.35 14 Wear rate/[10 −7 mm/(N·m)]
16
12
0.34
0.30
8
0.25 0.33 10
0.32
6
0.20 0.31 4
0 300 600 900 1 200 1 500 1 800 10 15 20
Time/s Friction load/N
(a) Friction curve (b) Average friction coefficient and wear rate
Fig. 7 The friction curve, average friction coefficient and wear rate of VN coating
图 7 VN涂层在不同载荷下的摩擦曲线、平均摩擦系数和磨损率

增加，涂层磨损率逐渐增加，20 N时磨损率最高，达到 线性拟合得到的 (μ-a) ∝ F n −0.35206 的关系与公式(3)吻
−6
3
1.55×10 mm /(Nm). 合较好，进一步表明10~20 N载荷下的接触是弹性的，
为进一步讨论载荷对VN涂层摩擦学性能的影 该载荷范围内赫兹接触模型适用. 所以接触载荷越
响，重点研究接触应力对摩擦性能的作用. 若对摩球 大，接触应力越大，从而摩擦系数越低.
与涂层之间的接触作用符合赫兹弹性接触模型，则摩 对于VN涂层，除了考虑载荷引起的接触应力对
擦系数可由公式(3)计算： 摩擦的影响，还应考虑不同载荷下引起的物理和化学

( ) 2/3
3R 变化对摩擦的作用. 如图9所示，采用扫描电子显微镜
µ = S 0·π F −1/3 +a (3)
n
4E ∗ 和拉曼光谱对VN涂层在不同载荷下的磨痕形貌及磨
其中：μ为摩擦系数，S 为零载荷下的界面剪切应力， 屑进行分析. 不同载荷下，磨痕边缘均分布着白色磨
0
R为对摩球半径，E*为接触材料的复合弹性模量，F 为 屑，其中20 N载荷下磨屑最多，10 N下磨屑最少. 分别
n
施加的载荷，a为表示抗剪切强度与应力关系的常 对磨痕内部和磨屑处进行拉曼测试，在磨痕内部未探
[32] 测到拉曼信号，表明磨痕内部无氧化相存在. 而磨屑
数 . 通过公式(3)可确定S 和a的数值，另外，由公式(3)
0
可知摩擦系数与载荷呈反比关系. 如图8(a)所示，将平 处的拉曼图谱显示不同载荷下均有大量V O 润滑相
2
5
均摩擦系数与赫兹接触应力倒数之间建立关系并进 生成，表明发生了摩擦化学反应. 此外，不同载荷下的
行线性拟合，发现拟合曲线与实际平均摩擦系数较吻 磨痕均较平整，但随着载荷增加，磨痕宽度逐渐增加，
合，并得到相应的S 和a值分别为0.160 65和0.124 35. 表明对摩球与涂层的实际接触面积增大；同时，由于
0
此外，图8(b)为log (F ) 和log (μ-a) 的线性拟合图，由 涂层抗塑性变形能力较差，以及韧性不理想等原因，
n