T i N涂層在一般零件表面的摩擦磨損性能

王永林，李迎吉

（1.中船重工第七〇四研究所，上海200030；2.無錫職業技術學院，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，又具有很多非金屬的性質，且因其化學性能穩定，涂于鋼材等表面不容易發生分解以及和別的材料反應，有與鋼材的熱膨脹系數差異小以及膠粘耐磨損性能優良等特點[1]。TiN涂層作為關鍵涂層，在一般設備的關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，觀察兩種狀態摩擦磨損現象，比較并分析摩擦磨損機理。

1 實驗介紹

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，下圓盤材料為調質處理的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

2 不同載荷下T i N涂層的摩擦磨損特性

2.1 載荷對T i N涂層的摩擦性能的影響

圖4為在轉速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涂層平均摩擦系數隨載荷變化曲線

由圖分析可知，在干摩擦的條件下，轉速一定（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涂層后的摩擦系數發現，45#鋼沉積TiN涂層后摩擦系數竟比45#鋼基體的摩擦系數增加了15%～20%左右，故TiN涂層沉積在45#鋼表面起不到減小摩擦系數的作用，反而使摩擦更嚴重。

2.2 載荷對T i N涂層的磨損率的影響

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律（如圖6為45#鋼基體、TiN涂層磨損率隨載荷和轉速的變化曲線）

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#鋼圓盤摩擦產生了更多的磨粒，這些磨粒使原本滑動摩擦的兩構件變為非滑動摩擦，即滾動摩擦，而滾動摩擦的摩擦系數是比滑動摩擦的摩擦系數低了很多的，這也就解釋了，為什么45#鋼表面的TiN涂層的摩擦系數反而比45#鋼基體的摩擦系數高。

3 不同轉速下T i N涂層的摩擦磨損特性

3.1 轉速對T i N涂層的摩擦性能的影響

圖7為在在干摩擦條件下、載荷一定（加載40 N），不同轉速情況下，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隨轉速變化的曲線，由圖可以看出，兩種材料的摩擦系數隨轉速變化都呈略微下降在上升的趨勢。在干摩擦的條件下，轉速在100 r/min～150 r/min之間不斷增加，平均摩擦系數是有略微減小的趨勢的。轉速在150 r/min～250 r/min之間增加時，平均摩擦系數有顯著增加。而在整個實驗過程的采集數據中發現，在載荷一定，轉速不斷變化過程中，45#鋼沉積TiN涂層后摩擦系數反而是增加的。

圖7 45#鋼基體鍍前鍍后平均摩擦系數隨轉速變化曲線

3.2 轉速對T i N涂層的磨損率的影響

當轉速為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速的變化曲線。

圖9 45#鋼鍍前鍍后磨損率隨轉速變化曲線

由圖可以看出，載荷一定的情況下（加載40 N），45#鋼基體和TiN涂層的磨損率隨轉速變化都呈先略微下降再上升趨勢。轉速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小；150 r/min后隨著轉速不斷增加兩試樣的磨損率變化有所不同，雖均呈現上升趨勢，但45#鋼磨損更為嚴重，轉速為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#鋼表面的涂層已經出現了一些破壞，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。當轉速達到250 r/min時，由于45#鋼表面的涂層已經大部分被破壞，其磨損率與45#鋼接近。

由此可見圖3曲線中在轉速200 r/min以后兩種試樣的摩擦系數越來越相近的主要原因是由于4隨著轉速不斷增加，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。

4 結束語

由本實驗得到的結果顯示，由于TiN涂層硬度較高，在45#鋼表面沉積TiN涂層后，摩擦系數反而比基體的摩擦系數高，雖TiN涂層不能降低摩擦系數，但卻能有效降低基體表面的磨損率，特別是在轉速不高的情況下，45#鋼表面的TiN涂層使磨損率出現減小。

[1]薛景文.摩擦學及潤滑技術[M].北京：兵器工業出版社，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]張泰華，郇 勇，楊業敏，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.