王永林,李迎吉
(1.中船重工第七〇四研究所,上海200030;2.無錫職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 無錫214121)
TiN為過渡金屬Ti的氮化物,既有某些與金屬相似的性質(zhì),又具有很多非金屬的性質(zhì),且因其化學性能穩(wěn)定,涂于鋼材等表面不容易發(fā)生分解以及和別的材料反應,有與鋼材的熱膨脹系數(shù)差異小以及膠粘耐磨損性能優(yōu)良等特點[1]。TiN涂層作為關(guān)鍵涂層,在一般設(shè)備的關(guān)鍵零件也漸漸被應用[2]。但TiN涂層摩擦磨損過程較為復雜,目前還沒有完善的理論能全面解釋TiN涂層的摩擦磨損機理[3]。
本文在45#鋼表面沉積TiN涂層,然后分別在不同的載荷和不同的轉(zhuǎn)速下對45#鋼基體和TiN涂層進行摩擦磨損試驗,觀察兩種狀態(tài)摩擦磨損現(xiàn)象,比較并分析摩擦磨損機理。
本實驗是在MMW-1A萬能摩擦磨損試驗機上進行;實驗條件為室溫,相對濕度30% ~40%;采用單針大環(huán)摩擦副形式,大止推圈摩擦副,如圖1所示。上銷盤選用大止推圈夾頭,如圖2所示,下圓盤材料為調(diào)質(zhì)處理的45#鋼。該摩擦副的摩擦磨損原理圖如圖3所示。
圖1 大止推圈摩擦副
圖2 大止推圈夾頭
圖3 止推圈摩擦副摩擦磨損原理圖
圖4為在轉(zhuǎn)速100 r/min、干摩擦的實驗條件下,不同載荷作用下45#鋼基體、TiN涂層分別與45#鋼圓盤摩擦副作用時摩擦系數(shù)的變化曲線圖。
圖4 45#鋼基體、45#鋼沉積T i N涂層平均摩擦系數(shù)隨載荷變化曲線
由圖分析可知,在干摩擦的條件下,轉(zhuǎn)速一定(保持在100 r/min)、不同載荷作用下,比較45#鋼基體、45#鋼表面沉積TiN涂層后的摩擦系數(shù)發(fā)現(xiàn),45#鋼沉積TiN涂層后摩擦系數(shù)竟比45#鋼基體的摩擦系數(shù)增加了15%~20%左右,故TiN涂層沉積在45#鋼表面起不到減小摩擦系數(shù)的作用,反而使摩擦更嚴重。
當載荷為40 N、130 N時,TiN涂層的摩擦磨損后的表面形貌如圖5.
圖5 不同載荷下的磨損形貌
找出造成有了涂層后摩擦系數(shù)不降反增的原因還要研究45#鋼基體與45#鋼沉積TiN涂層的磨損隨載荷變化的規(guī)律(如圖6為45#鋼基體、TiN涂層磨損率隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化曲線)
圖6 45#鋼基體、45#鋼沉積T i N涂層磨損率隨載荷變化曲線
分析圖6的變化曲線不難看出,在轉(zhuǎn)速保持100 r/min,隨著載荷的不斷增加,45#鋼基體和45#鋼沉積TiN涂層的磨損率都呈線性上升的趨勢。載荷為40 N時,45#鋼基體和TiN涂層的磨損率均為最低值,且差值約為1.2 mg·h-1,差值為整個加載過程中的最小值。由圖可見,隨著不斷的加載,45#鋼基體與TiN涂層的磨損率在不斷增加的同時,兩者之間的差值也越來越大。由此可見,在轉(zhuǎn)速保持一定,TiN涂層有較好的減小磨損作用。
由45#鋼基體、45#鋼沉積TiN涂層磨損率隨載荷變化情況分析不難得到,造成45#鋼有了涂層后摩擦系數(shù)不降反增的主要原因,45#鋼基體的硬度比鍍了TiN涂層后硬度硬度低很多,故45#鋼與45#鋼圓盤摩擦時比45#鋼沉積TiN涂層后與45#鋼圓盤摩擦產(chǎn)生了更多的磨粒,這些磨粒使原本滑動摩擦的兩構(gòu)件變?yōu)榉腔瑒幽Σ?,即滾動摩擦,而滾動摩擦的摩擦系數(shù)是比滑動摩擦的摩擦系數(shù)低了很多的,這也就解釋了,為什么45#鋼表面的TiN涂層的摩擦系數(shù)反而比45#鋼基體的摩擦系數(shù)高。
圖7為在在干摩擦條件下、載荷一定(加載40 N),不同轉(zhuǎn)速情況下,45#鋼基體、45#鋼表面的TiN涂層分別與45#鋼圓盤摩擦副摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的曲線,由圖可以看出,兩種材料的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化都呈略微下降在上升的趨勢。在干摩擦的條件下,轉(zhuǎn)速在100 r/min~150 r/min之間不斷增加,平均摩擦系數(shù)是有略微減小的趨勢的。轉(zhuǎn)速在150 r/min~250 r/min之間增加時,平均摩擦系數(shù)有顯著增加。而在整個實驗過程的采集數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn),在載荷一定,轉(zhuǎn)速不斷變化過程中,45#鋼沉積TiN涂層后摩擦系數(shù)反而是增加的。
圖7 45#鋼基體鍍前鍍后平均摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線
當轉(zhuǎn)速為100 r/min、250 r/min時,TiN涂層的摩擦磨損后的表面形貌如圖8所示。
圖8 45#鋼表面的T i N涂層不同載荷下的磨損形貌
圖9為45#鋼鍍TiN涂層前后磨損率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。
圖9 45#鋼鍍前鍍后磨損率隨轉(zhuǎn)速變化曲線
由圖可以看出,載荷一定的情況下(加載40 N),45#鋼基體和TiN涂層的磨損率隨轉(zhuǎn)速變化都呈先略微下降再上升趨勢。轉(zhuǎn)速100 r/min~150 r/min不斷增加的過程中,45#鋼基體和45#鋼沉積TiN涂層的磨損率略有下降且差值最??;150 r/min后隨著轉(zhuǎn)速不斷增加兩試樣的磨損率變化有所不同,雖均呈現(xiàn)上升趨勢,但45#鋼磨損更為嚴重,轉(zhuǎn)速為200 r/min時,45#鋼基體和45#鋼沉積TiN涂層的的磨損率差值達到最大,此時,45#鋼表面的涂層已經(jīng)出現(xiàn)了一些破壞,在此之后,45#鋼沉積TiN涂層的磨損率迅速升高,兩試樣的磨損率差值迅速縮小。當轉(zhuǎn)速達到250 r/min時,由于45#鋼表面的涂層已經(jīng)大部分被破壞,其磨損率與45#鋼接近。
由此可見圖3曲線中在轉(zhuǎn)速200 r/min以后兩種試樣的摩擦系數(shù)越來越相近的主要原因是由于4隨著轉(zhuǎn)速不斷增加,摩擦副之間的溫度不斷增加,溫度的不斷增加使得TIN涂層與45#鋼基體之間的結(jié)合強度變差從而使涂層從45#鋼表面不斷的脫落,涂層慢慢脫落后其各項性能會越來越接近于基體本身。
由本實驗得到的結(jié)果顯示,由于TiN涂層硬度較高,在45#鋼表面沉積TiN涂層后,摩擦系數(shù)反而比基體的摩擦系數(shù)高,雖TiN涂層不能降低摩擦系數(shù),但卻能有效降低基體表面的磨損率,特別是在轉(zhuǎn)速不高的情況下,45#鋼表面的TiN涂層使磨損率出現(xiàn)減小。
[1]薛景文.摩擦學及潤滑技術(shù)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1992.
[2]Hu J,Ameen M,etal.Electrical properties of Ti/TiN films prepared by chemical vapor deposition and their applications in submicron structures as contact barrier materials[J].Thin Solid Films,1997(8):308-309:589-593.
[3]張?zhí)┤A,郇 勇,楊業(yè)敏,等.氮化鈦沉積膜的摩擦磨損性能研究[J].摩擦學學報,2003,23(5):367-370.