Page 23 - 摩擦学学报2025年第5期

第 5 期 冯海燕, 等: 油田环境下Si/N-DLC涂层的摩擦磨损行为及润滑机理 657

0.12
(a) (b)
0.45 Stage I Stage II 0.09
316L SS 0.414
0.42 0.385 Friction coefficient 0.06 Stage I
0.03
Friction coefficient 0.15 Si 100 /N 0 Si 40 /N 60 Friction coefficient 0.06 0.056 0 0.048 100 150 0.052 Worn out
Stage II
0.36
0.30
0.00
50
200
0.058
Sliding distance/m
0.05
Si 80 /N 20
Si 20 /N 80
Si 60 /N 40
Si 0 /N 100
0.04
0.03 0.032 0.024 0.027 0.036 0.038
0.024
0.00 0.02
0 50 100 150 200 316L SS Si 100 /N 0 Si 80 /N 20 Si 60 /N 40 Si 40 /N 60 Si 20 /N 80 Si 0 /N 100
Sliding distance/m Samples
(c) (d)
560
522.4 0.3
0 490 Depth/μm 0.0 315.4
360
Depth/μm −3 Wear rate/[10 −8 mm 3 /(N·m)] 270 13.6 −0.3 200 289.8
15
−0.6
Width/mm
−6 316L SS 10 0.0 0.2 0.4 0.6 8.7 Worn out
Si 100 /N 0 Si 40 /N 60 5
Si 80 /N 20 Si 20 /N 80 2.5 1.8
Si 60 /N 40 Si 0 /N 100
−9 0
0.0 0.2 0.4 0.6 316L SS Si 100 /N 0 Si 80 /N 20 Si 60 /N 40 Si 40 /N 60 Si 20 /N 80 Si 0 /N 100
Width/mm Samples
Fig. 8 Friction properties of the 316L SS substrate and the Si/N-DLC coatings under the different SiH 4 /N 2 ratio: (a) friction
coefficient curves; (b) average friction coefficient at different stage during sliding and the inlet is the local magnification of (a);
(c) cross-sectional profile of wear track; (d) specific wear rate and the inlet is the local magnification of (c)
图 8 不同SiH 4 /N 2 流量比条件下沉积的Si/N-DLC涂层与316L SS的摩擦学性能：(a)摩擦系数曲线；(b)不同滑动阶段的平均
摩擦系数[内插图为(a)图的局部放大图]；(c)磨痕横截面轮廓；(d) 磨损率曲线[内插图为(c)图的局部放大图]
明其磨损机理为黏着磨损. 不同之处在于Si /N 涂层 分别为Raman光谱光致发光背景斜率和G峰强度，具
60 40
体系转移膜分布在磨斑中央，而Si /N 体系转移膜较 体表现为m/I 值越大，涂层氢含量越高. 如图12(d)所
40
60
G
少且全部集中在磨斑边缘. 总体而言，相较于作者之 示，与对应的原始涂层相比，经过摩擦测试后，磨痕内
前干摩擦的工作 ，在油田产出水环境中磨斑上形成 部的m/I 值均有所增加，表明氢含量增高. 这表明涂
[25]
G
3
2
的转移膜更少，可能是由于油田产出水的存在有效分 层结构从sp 向sp 转变且无序程度增加的原因主要是
隔了涂层与摩擦副，降低了材料转移(磨损)并阻碍了 氢引起的表面钝化效应. 一方面，涂层内部的氢溢出，
转移膜在Al O 摩擦副的附着. 扩散到表面，使得涂层表面氢含量升高；另一方面，油
3
2
+
对Si /N 涂层体系磨斑上碳转移膜的微观结构 田产出水环境(pH=4.2)中的H 和水分子被吸附在涂层
40
60
进行分析，如图12(a)所示. Raman光谱中出现了明显 表面形成液体膜，从而使涂层表面钝化，而且涂层表
[49]
分离的D峰和G峰，表明在磨斑表面形成了石墨化的 面自由σ键可以与溶液中的离子形成共价键结构 ，
碳转移膜. 进一步获取了磨痕内的Raman光谱，为了 改善涂层的耐磨损性能. 为证明上述结构转变，利用微区
解磨痕内整体的结构转变，分别在磨痕中间和两端位 XPS (测试区域50~100 μm)测试技术，采用“采谱1次+
置各采集1次Raman光谱，其拟合结果如图12(b)和(c) 刻蚀10 nm+采谱1次”模式分别测试磨痕表层和内部的
所示，包括I /I 和FWHM . 摩擦测试后，I /I 和FWHM G XPS谱及对应的元素组成[图12(e)和(f)]. 进一步对所获
G
D G
D G
值随SiH /N 流量比的变化趋势与原始涂层一致. 值得 得的磨痕内部(刻蚀后)的XPS精细谱(C 1s和Si 2p)进
4
2
注意的是，磨痕内部所有位置处的I /I 值均低于原始 行分峰拟合，拟合所采用参数与原始涂层拟合参数一
D G
涂层，其FWHM 值均高于原始涂层，表明涂层结构从sp 2 致(图5)，不同之处在于磨痕内部XPS的Si 2p谱中增加
G
[17]
3
向sp 转变，且涂层无序程度增加. Casiraghi等 [47-48] 研究 了SiO (101.9 eV)的贡献 ，拟合结果和对应峰面积百分
x
发现DLC涂层氢含量与m/I 有密切关系，其中m和I G 比如图12(g~i)所示. 结果表明在油田环境下的摩擦过程
G