Page 96 - 摩擦学学报2025年第9期

1350 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

整体硬度较Al O 涂层低，使复合涂层中的Al O 颗粒 但是在摩擦前复合涂层的拉曼光谱中D峰的强度要远
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可被轻易地从涂层中分离出来又起到磨粒的作用，对 远低于G峰. D峰和G峰的面积比为I /I 值，I /I 值越
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石墨的润滑层造成破坏，这加剧了复合涂层的磨粒磨 高，表明石墨中形成的缺陷越多 ，且具有更高的无
损，继而随着摩擦时间增长，摩擦界面中的硬质 序度. 在3、5、10、20 N载荷下摩擦后，摩擦表面处的
Al O 陶瓷磨粒比例增加，最终导致Al O /C复合涂层 I /I 值分别为1.48、1.68、1.25和1.14. 显而易见，经过
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的磨损量增大. 综上所述，C的存在降低了Al O /C复 摩擦试验，I /I 值从初始的0.19明显大幅增大，说明
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合涂层中Al O 粒子之间的粘接能力并导致涂层硬度 各磨痕中的石墨具有更高的无序程度，同时D峰和
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下降，使得在相同试验条件下，Al O /C复合涂层的磨 G峰的变宽表明石墨的晶体结构被破坏. D峰强度的
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损量较Al O 涂层的更大. 增加则很好地证明了含无定形碳的转移膜在磨痕处
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如图9(a)所示，随着摩擦载荷增大至20 N，Al O /C 形成 [5,13,25] . 此外，可以发现当载荷从3 N增至5 N时，
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复合涂层的摩擦系数比Al O 涂层的摩擦系数有了 I /I 值增大，但当载荷继续增大时，I /I 值又逐渐降
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大 幅 降 低 ， 而 且 Al O /C复 合 涂 层 的 磨 损 率 [2.97× 低，这说明当载荷从3 N增加至5 N时，此时摩擦接触
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10 mm /(N·m)]与Al O 涂层的磨损率[2.14×10 mm / 面的应力较小，摩擦表面被拔出的氧化铝颗粒数量较
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(N·m)]也基本接近. 导致该现象的主要原因是在干摩 少，对接触面形成的石墨转移膜破坏程度较轻，摩擦
擦过程中，Al O /C复合涂层中的石墨在高摩擦载荷 表面的石墨无序程度增加，且在5 N时无序程度最大；
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作用下在摩擦界面的摩擦副接触区域之间形成了石 继续增加载荷后，摩擦表面被拔出的氧化铝硬质颗粒
墨转移膜，而石墨转移膜的形成会不同程度地降低磨 数量增大，接触面形成的石墨转移膜被不断地破坏，
损表面的剪切应力和塑性变形，还能有效避免不锈钢 又由涂层表面不断分离的石墨继续形成新的石墨转
球与涂层的直接接触，减轻了摩擦副之间的黏着磨损 移膜，导致此时I /I 值逐渐降低.
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程度 ，从而大幅降低了复合涂层的摩擦系数. 在不 2.4 316L不锈钢球的磨损
同载荷条件下摩擦后，Al O /C复合涂层摩擦表面的 图10所示为与Al O /C复合涂层和Al O 涂层摩擦
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拉曼光谱如图9(b)所示，其元素分析结果列于表3中， 后316L不锈钢球磨损表面的光学显微镜照片. 可以明
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在1 332 cm 和1 585 cm 处附近均出现了强度相似的D峰 显地看出不锈钢球的磨痕表面均不同程度地出现了
和G峰，D峰的存在归因于石墨晶格中的结构缺陷 [6,24] ， 犁型凹槽，表明在摩擦过程中不锈钢球均发生了磨粒

表 3 不同载荷下摩擦表面EDS元素分布
Table 3 EDS element distribution on friction surfaces under different loads
Mass fraction/%
Test load/N
C O Al Fe
3 9.82% 29.18% 30.42% 30.58%
5 9.62% 26.64% 25.42% 38.32%
10 8.31% 17.16% 26.43% 48.10%
20 8.41% 17.37% 28.03% 46.18%

(a) (b)
0.4 20 N
Friction coefficient 0.3 Intensity/a.u. D peak G peak 10 N
5 N
0.2
3 N
Composite coating Composite coating
0.1 Al 2 O 3 coating
0 1 000 2 000 500 1 000 1 500 2 000 2 500
Time/s Raman shift/cm −1
Fig. 9 (a) Friction coefficient at 20 N load and (b) Raman spectra of friction surfaces with Al 2 O 3 /C composite coatings
图 9 (a) 20 N载荷摩擦时2种的涂层摩擦曲线和(b) Al 2 O 3 /C复合涂层磨痕的拉曼光谱