Page 46 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 瞿学炜, 等: 石英添加量对搪瓷涂层微观结构及摩擦磨损性能的影响 43

有涂层试样摩擦系数经过约4 min的跑合阶段后保持 气孔经过摩擦与碾压而相互连通，这表明磨损产生的
稳定. 其中添加质量分数为0%和4%的涂层平均摩擦 裂纹易与沿气孔间最短距离方向拓展和延伸，当涂层
系数相差不大，分别为0.514和0.519；添加质量分数为 中气孔尺寸较大时，其对裂纹的束缚作用较小而易成
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8%的涂层摩擦系数显著降低至0.455，且摩擦15 min 为脆性剥落源 ，这与机械冲击试验结果(见图5)相吻
后波动幅度减缓；添加质量分数为12%的涂层摩擦系 合. 由图7(c1)、(c2)可知，添加质量分数为8%和12%的
数升高至0.469. 由图6(b)和图6(c)可知，0%添加量涂 涂层，磨痕处观测到开口气孔的数量较少、孔径较小，
层磨痕深且宽，且底部存在尖锐的凹槽，其磨损率高 气孔主要集中出现在磨痕中央处. 此外，气孔间未观
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达5.27×10 mm /(N·m)，磨痕深度可达34 μm，涂层发 测到裂纹，磨屑除了填充在气孔内，另一部分在气孔
生了较为严重的磨粒磨损；添加质量分数为4%时，涂 周围区域形成了片层状的堆积层[见由图7(c2)、(d2)]，
层磨痕深度与未添加时相近，但其宽度变窄，磨损率 这表明数量较多的小尺寸气孔对裂纹的束缚和定扎
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降低至4.22×10 mm /(N·m)；添加质量分数为8%和 作用较强，并可通过缓解裂纹尖端处的张应力而阻碍
12%时，涂层磨痕深度及宽度均显著减小，其二维轮 其扩展. 相比于添加质量分数为12%的涂层，添加质
廓近似圆弧状，且未形成明显的尖锐凹槽，磨损率分 量分数8%的涂层中的气孔孔径更加均匀且集中(具有
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别降低至1.78×10 和2.35×10 mm /(N·m). 涂层摩擦 更多孔径为10~30 μm的气孔)，因而对裂纹的束缚作
系数与其二维轮廓形貌变化趋势相同，表明摩擦系数 用更强，使形成的堆积层更加完整，涂层对摩擦对偶
与涂层和摩擦对偶的接触面积相关，而波动程度主要 的承载能力增强.
受摩擦时磨痕表面粗糙度变化及磨屑的影响. 图8为与不同石英添加量涂层磨损后的摩擦对偶
2.4 涂层磨损形貌 球表面背散射形貌及EDS分析结果. 由图8可知，摩擦

图7为不同石英添加量涂层表面磨损形貌. 由图7 对偶球表面均存在白色颗粒转移物，且其转移量随着
可知，所有涂层试样磨痕处均存在裸露的开口气孔， 石英添加量的增多而减少. 由面扫描结果可知，白色
且气孔边缘在摩擦对偶的往复碾压作用下呈现出不 颗粒物主要为摩擦过程中由涂层转移至摩擦对偶球
规则形状，其中添加质量分数为0%和4%的涂层磨痕 表面的硬质颗粒相TiO ，其使涂层磨粒磨损程度加
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较宽[见图7(a1)、(a2)]，内部观测到数量较多且孔径较 剧，磨损率增大 . 此外，与添加质量分数8%和12%涂
大的气孔，不规则的分散在磨痕区域内. 进一步由高 层摩擦后的摩擦对偶球表面形成了犁沟，而与其对应
倍SEM形貌图7(a2)、(b2)可知大量磨屑填充在裸露的 的涂层表面观测到片层状的堆积层，表明密实的堆积
气孔内部，且气孔间存在裂纹，但其扩展方向并不完 层可使摩擦对偶球表面的磨损程度增加. 进一步由表3
全与摩擦对偶和涂层的相对滑动方向一致，局部区域 可知，随着涂层中石英添加量的增加，转移至摩擦对

(a1) (a2) (a3) (a4)

500 μm 500 μm 500 μm 500 μm

(b1) (b2) (b3) (b4)
Crack

Pores
Crack Accumulation layers
Accumulation layers
100 μm 100 μm 100 μm 100 μm

Fig. 7 Wear morphology of enamel coatings with different quartz addition amount：(a1/a2) 0%，(b1/b2) 4%，
(c1/c2) 8%，(d1/d2) 12%
图 7 不同石英添加量涂层磨损形貌：(a1/a2) 0%，(b1/b2) 4%，(c1/c2) 8%，(d1/d2) 12%