PVD金属制备CrN涂层中摩擦学性能检测方案(摩擦磨损机)

西南交通 大学学报JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY第43卷 第2期2008年4月Vol.43 No.2Apr. 2008 281第2期莫继良等：物理气相沉积法制备的 CrN 涂层的摩擦学性能 文章编号：0258-2724(2008)02-0280-05 物理气相沉积法制备的 CrN 涂层的摩擦学性能 莫继良， 朱旻昊 (西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031) 摘 要：用 CETR UMT-2摩擦磨损试验机对比磁过滤阴极真空弧源和多弧离子镀方法制备的 CrN 涂层在往复滑动条件下的摩擦磨损行为.用X射射衍射、显微硬度计、纳米压痕仪表征涂层的基本特性；用台阶仪、扫描电子显微镜和电子能谱对磨痕进行微观分析，探讨不同结构 CrN 涂层的磨损失效机理.与多弧离子镀技术制备的CrN 涂层相比，磁过滤阴极真空瓜源技术制备的 CrN 涂层更光滑、致密和连续，有较高的硬度和较优越的耐磨性能.涂层微结构的差异是造成摩擦磨损性能差异的主要原因.2种 CrN 涂层的滑动磨损为磨粒磨损和氧化磨损共同作用的结果. 关键词： CrN 涂层；物理气相沉积；磁过滤阴极真空弧源；多弧离子镀；摩擦磨损 中图分类分： TH117.1； TG174.444 文献标识码： A Tribological Properties of CrN Coatings Preparedby Physical Vapor Deposition MO Jiliang，，2ZHU Minhao (Traction Power State Key Lab.， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China) Abstract： Two kinds of CrN coatings were deposited on cemented carbide substrates by filteredcathodic vacuum arc (FCVA) and multi-arc ion plating(MAIP)， and their tribological propertieswere compared on a CETR UMT-2 tribometer under reciprocating sliding. X-ray diffraction (XRD)，micro-hardness and nano-indentation were performed to characterize the coatings. The wear scars of thecoatings were evaluated by a surface profilometer， scanning electron microscopy(SEM) and energydispersive X-ray spectrum (EDX). The wear mechanisms of the coatings were discussed. The CrNcoatings prepared by FCVA exhibit smoother， denser and continuous coating surface， and possesshigher hardness and much better wear resistance. The different microstructures of the coatings are themain cause of the difference in tribological properties for the two coatings. Combination of abrasivewear and oxidative wear is the sliding wear mechanisms for the two coatings. Key words： CrN coating； physical vapor deposition； FCVA； MAIP；friction and wear 物理气相沉积(physical vapor deposition，简称 PVD)技术制备的 CrN 涂层具有韧性高，耐磨性、抗高温氧化性及抗腐蚀性良好等优点，已在很多等领域广泛应用.从20世纪90年代初开始，国外已开展对 PVD制备的 CrN 涂层研究，其应用也取得了一定进展11~6].国内的研究的刚起步17-8].不同 PVD 技术制备的CrN 涂层组织结构及性能差异较大，不同研究的侧重点也不尽相同4.5.8].常用的多弧离子镀( multi-arciron plating，简称 MAIP)技术具有高离化率、高沉积速率和低成本等优势，但在沉积过程中，涂层表面存在阴极材料所射出的大颗粒(液滴相)，导致沉涂层缺陷增多、均匀性和强度降低、表面粗糙度增加的缺 ( 收稿日期：2008-02-29 ) ( 基金项目：教育部新世纪优秀人才计划(NCET-04-0885)，四川省科技攻关计划(04CN032-009) ) ( 作者简介：莫继良(1982-)，男，博士研究生，研究方向为表面工程及摩擦学， E-mail： mojiliang126@ 126. com ) ( 通讯作者：朱旻昊(1968-)，男，教授，博士，博士生导师，研究方向为摩擦学及表面工程， E-mail： zhuminhao@ home. swjtu. cn ) 点[5.7.8]，因此在涂层表面粗糙度要求高的领域中的应用受到限制.磁过滤阴极弧源技术(filtered cathodicvacuum arc，简称FCVA)用等离子体电磁场过滤，可有效减少或消除大颗粒，得到更为光滑、坚硬和致密均匀的涂层18，9~111.本文中对比 FCVA 和 MAIP方法制备的 CrN 涂层的基本材料和力学性能以及在往复滑动条件下的摩擦磨损行为，着重讨论涂层微观结构差异对其摩擦磨损性能的影响. 实 验 分别采用 FCVA 和 MAIP 方法在硬质合金试样表面沉积 CrN 涂层.2种涂层皆为单层结构，为提高涂层与基体的结合强度，有厚度约为0.1 u.m 的纯Cr金属过渡层.硬质合金基体材料硬度为 HV50g1350，表面粗糙度R，≈0.04 u.m，成分为 wc=10% ，其余w(WC+添加剂)=90%.涂层粗糙度用 MITUTOYO SJ-400表面粗糙度仪测定；涂层显微硬度用 AKashi MVK-H12 型显微硬度仪测定；涂层纳米硬度及弹性模量用 CSEM纳米压痕仪测定. 往复滑动摩擦磨损试验在 CETR UMT -2多功能摩擦磨损试验机上进行，采用球/平面接触方式.对磨试样采用直径为4mm的 SiN， 陶瓷球(HV5o，1800，R，= 0.032 p.m)，平面试样(10 mmx10 mm×20 mm)为涂层试样.试验主要参数：法向载荷F=5，10N；位移幅值2 mm；相对滑动速度g mm/s； 时间 30 min； 环境条件为大气下干态(温度20~25℃，相对湿度60%±10%).磨损试验后，用光学显微镜和 Quanta 2000 型扫描电子显微镜(SEM)观察磨痕形貌，用 Ambios 轮廓仪测绘磨痕横截面轮廓，在SEM 下用 EDAX-7760/68 ME 型电子能谱仪(EDX)分析磨损表面和磨屑的成分. 图1为用2种不同方法制备的 CrN 涂层的X射线衍射图谱，可以看出2种涂层皆由 CrN 和 Cr，N两相组成.与 MAIP法制备的 CrN 涂层相比，FCVA 法制备的 CrN 涂层的谱峰较宽，强度明显偏低，且略向低角度方向偏移.这是由于 FCVA 涂层具有较小的晶粒和较高内应力，而且Cr 和N的比例发生了改变4..图2为2种 CrN 涂层的 SEM 形貌.可见， FCVA 涂层表面致密、连续、光滑，只存在极少的大颗粒和孔洞(图2(a))；MAIP 涂层表面较为粗糙，存在明显的大颗粒和孔洞缺陷(图2(b)). 表1为2种CrN 涂层的表征结果.可以看出，FCVA 涂层具有较低的粗糙度和较高的硬度.由于 FCVA 技术消除了大颗 图1 CrN 涂层的 XRD 图谱 Fig.1 XRD spectrums of CrN coatings 粒以及孔洞缺陷，降低了涂层柱状结构的产生几率，使涂层能够更加均匀致密地生长，晶粒细小，所以使得涂层具有较高硬度. (a) FCVA 方法 (b) MAIP 方法 表1 CrN 涂层的表征结果 Tab. 11 Characterization results for CrN coatings 制备方法 涂层厚度/um 表面粗糙度/wmn 显微硬度HV5o 纳米硬度/GPa 弹性模量/GPa FCVA 1.5 0.02 1 884 21.81 489.62 MAIP 2.0 0.21 1 700 20.70 485.41 3 摩擦因数 不同载荷下2种 CrN 涂层摩擦系数随往复循环次数的变化如图3所示.在不同载荷作用下，2种涂层的摩擦系数均随循环次数的增加而增大，并逐渐趋于稳定.对比相同载荷下2种涂层的摩擦系数可以发现， MAIP 涂层在稳定阶段的摩擦系数较低.原因是 MAIP 涂层的表面液滴及孔洞缺陷较多，粗糙度高，摩擦磨损过程易产生较多的磨屑，二体磨损变为三体磨损，磨屑参与承载使得摩擦系数降低. 图33不同法向载荷下 CrN 涂层的摩擦系数 Fig.3 Friction coefficients of CrN coatings under different normal loads 4 涂层损伤 用台阶仪测量2种 CrN 涂层在不同法向载荷下的磨痕轮廓，结果如图4.由图4(a)可见， FCVA涂层在法向载荷为5N和10N时的磨痕深度基本一致，磨痕较浅且平整，最大磨痕深度值都约为0.3 u.m.MAIP 涂层在法向载荷为5 N时磨痕相对较浅，最大磨痕深度也约为 0.3 u.m，磨痕表面相对粗糙；当法向载荷增加到10N时，磨痕宽度略有增大，且在磨痕中心出现一个很深的涂层剥离区域(图4(b)).这是由于MAIP涂层存在较多大颗粒和孔洞缺陷，涂层耐磨性较差，在磨损过程中产生大量的磨屑，磨痕中心区域处接触应力最大，磨屑不易排出并受到反复碾压，加速涂层磨损. FCVA 涂层的耐磨性明显优于 MAIP涂 图4 不同法向载荷下 CrN 涂层的磨痕轮廓 Fig.4 Profiles of the wear scars of CrN coatings under different normal loads 层，因为磁过滤阴极真空弧源方法制备的涂层比较致密，磁过滤功能减少了涂层的缺陷，使得涂层具有较好的摩擦磨损性能. 对比2种 CrN涂层在法向载荷为 5 N， 3 600次循环条件下的磨痕 SEM 形貌，可以发现， FCVA 涂层磨损极轻微，磨损表面平滑光整(图5(a))； MAIP涂层的磨损则较为明显，磨损表面有轻微的犁沟痕迹，在磨痕端部可以观察到一定量的磨屑堆积(图5(b)).当法向载荷增至10N时(图5(c)， FCVA 涂层磨痕中心依然平整，与5N时损伤形貌相似，几乎观察不到犁沟痕迹，涂层仅表现为极轻微的磨粒磨损. EDX能谱分析表明，磨痕中心区域处磨损表面的0元素峰值很低，说明涂层的氧化磨损也较为轻微. MAIP涂层在载荷为10N情况下的磨损明显严重(图5(d))，涂层中心形成了磨屑堆积的三体层，且在高接触压力下呈现龟裂特征.龟裂片状处的 EDX 能谱分析结果显示该区域存在一定量的 Si 元素，说明在磨损过程中对磨的 Si，N，球形磨的磨屑与涂层磨损的磨屑不能及时排出并不断地被碾压、碎化，加剧涂层磨损，最终形成三体层. 图5CrN涂层的磨痕心部 SEM 形貌 Fig.5 SEM morphologies of the worn surfaces of CrN coatings 5 结 论 (1)FCVA 方法比 MAIP 方法制备的 CrN 涂层表面光滑、致密和连续，硬度更高. (2) FCVA 方法制备的 CrN涂层比 MAIP 方法制备的 CrN 涂层有更高的耐磨性，这是由于 FCVA 方法制备的 CrN 涂层结构致密，而 MAIP方法制备的 CrN 涂层存在较多的大颗粒和孔洞缺陷. (3) FCVA 方法制备的 CrN 涂层的磨损主制主要为轻微的磨粒磨损和氧化磨损， MAIP方法制备的CrN涂层磨损较为严重，涂层在较高载荷下的失效为磨粒磨损、氧化磨损和剥层磨损综和作用的结果. ( 感谢西南交通大学博士创新基金资助. ) ( 参考文献： ) ( [1]C CUNHA L， AN D RITSCHKY M， PISCHOW K， et al. Microst r ucture of CrN coatings produced by PVD techniques[J]. Thin Solid Films， 1999， 355-356：465-471. ) ( [2] NAVINSEK B， PANJAN P， CVELBAR A. Charact e rization of low temperature CrN and TiN (PVD) hard co a tings[J]. Surface and Coatings Technology， 1995， 74( 1-3， Part 1)：155-161. ) ( [3] HOY R ， SLOOF W G ， JANSSEN G CA M . Har d dense CrN， coatings on three-dimensional objects [ J]. Surface and Coatings Technology， 2004， 179(2-3)：215-222. ) ( [4] ] PIOT O ， GAUTIER C， MACHET J. Compara t i ve study of CrN coatings deposited by ion plating and vacuum arc evaporation. Influence of the nature and the energy of the layer-forming species on t he structural and mechanical properties[J]. Su r fac e and Coatings Technology，1997，94-95(1-3)：409-415. ) ( [5 i ] ] GAUTIER C， MOUSSAOUI H， E L STNER F. 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( 西南交通大学学报编辑部 ) 物理气相沉积法制备的CrN涂层的摩擦学性能 作者：莫继良， 朱旻昊，MO Jiliang，ZHU Minhao作者单位：西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都，610031刊名：西南交通大学学报.ISTICIElPKU英文刊名：JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY年，卷(期)：2008，43(2)被引用次数：0次 参考文献(11条) 1. CUNHA L.ANDRITSCHKY M.PISCHOW K Microstructure of CrN coatings produced by PVD techniques 1999 2.NAVINSEK B.PAN JAN P.CVELBAR A Characterization of lovlow temperature CrN andTiN (PVD)hard coatings1995(1-3) 3.HOY R.SLOOF W G. JANSSEN GC AMHard dense CrN. coatings on three-dimensional objects 2004(2-3) 4.PIOT O.GAUTIER C.MACHET ]J(Comparative study of CrN coatings deposited by ion plating and vacuumare evaporation. Influence of the nature and! the energy of the hyer-forming speeies on the structuraland mochanical iproperties 1997(1-3) 5.GAUTIER C.MOUSSAOUI H.ELSTNER FComparative study of mechanical and structurallproperties of CrNfilms deposited by d.e.magnetron sputtering and vacuum are evaporation 1996(1-3)6.NAVINSEK B.PAN JAN P Oxidation of CrN，hard coatings reactively sputtered at ]low temperature1993(01) 7.SU Y L. YAO S H.WU C T Comparisons of eharaeterizatiorm and tribological performance of TiN and CrNdeposited by cathodic are plasma deposition process 1996(01) 8.莫继良.朱曼昊.安剑物理气相沉积CrN涂层的研究进展2006(4-11) 9.KONYASHIN I. FOX-RABINOVICH G. DODONOV /ATiN thin films deposited by filtered are-evaporation：structure，properties and applications 1997(22) 10.MARTIN P J.BENDAVID A Review of the filtered vacuum are process and imaterials deposition 2001(1- 2) 11. HARRIS S G.DOYLE E D.VLASVELD A C Dry cutting performance ofpartially filtered are depositedtitanium aluminium nitride coatings with various metal nitride base coatings 2001(9-10) 相似文献(5条) 1.会议论文莫继良.朱旻昊.安剑.雷斌.周仲荣物理气相沉积CrN涂层的研究进展2006 物理气相沉积(PVD)技术制备的CrN涂层能够很好地提高各种工、模具和机械部件的抗氧化、耐腐蚀和摩擦学性能.溅射和阴极弧源方法的PVD技术在金属离化率的提高及大颗粒的排除等方面有了很大的改进，被广泛用于制备CrN涂层.本文概文了CrN涂层的不同PVD制备技术，讨论了氮气分压、基体偏压及过渡层等沉积参数对CrN涂层制备的影响，综述了CrN涂层的抗氧化、腐蚀性能和摩擦磨损特性. 2.学位论文莫继良物理气相沉积 (PVD)涂层的摩擦学行为研究2008 物理气相沉积(PVD)方法制备的涂层具有高硬度、耐磨性能良好和化学性能稳定等优点，已经在刀具、模具、汽车及航空航天等行业获得广泛应用。开展PVD涂层的摩擦磨损基础研究能为涂层的制备开发和工业应用提供指导，同时对深化涂层摩擦学基础理论具有重要意义。 本文在CETR UMT-2多功能摩擦磨损试验机上，以Si3N4陶瓷球和纯钛球为对磨副，采用球-平面接触方式，对多弧离子镀(MAIP)制备的CrN、AlCrN和AlTiN涂层，磁过滤阴极弧源(FCVA)制备的CrN涂层和磁控溅射制备的WC/C类金刚石涂层进行了往复(双向)和球-盘式(单向)滑动摩擦学试验。采用显微硬度计、纳米压痕仪、表面轮廓仪、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)和电子探针仪(EPMA)等分析手段，系统地研究了PVD涂层的摩擦磨损行为。获得的主要结论如下： 1.采用FCVA技术制备了CrN涂层， 与MAIP法制备的CrN涂层进行对比，结果表明：FCVA CrN涂层沉积参数对其摩擦磨损特性有很大的影响，大量试验优化了其制备工艺；相比MAIP CrN涂层， FCVA CrN涂层表面更为光滑、致密，i，“大颗粒”和孔洞缺陷更少，因此表现出更优越的耐磨性。PVD CrN涂层微观结构上的差异导致了在摩擦过程中排屑行为和损伤机制等方面的差异。 2.综合对比了CrN、AlCrN和AlTiN涂层的摩擦学行为，研究了PVD涂层成分对涂层摩擦学特性的影响，结果表明：1)正常磨损条件下， CrN涂层的耐磨性优于AlCrN涂层，但高法向载荷条件下CrN涂层磨痕中心最大应力处出现明显的局部严重磨损，AlCrN涂层的优势主要体现在承载能力的提高； 2)AlTiN与AlCrN涂层的摩擦磨损特性差异主要源自涂层排屑行为和摩擦化学行为的不同：AlTiN涂层排屑性能较差，磨屑存在摩擦界面加速了涂层的磨 损； AlCrN涂层排屑性能良好，磨损表面呈抛光效应，涂层中的Cr元素和Al元素都能同时在摩擦过程中形成稳定、高硬度、耐热的氧化物(Cr203、 Cr205和A1203)而保护了涂层。3)AlCrN涂层拥有良好的承载能力和排屑行为，优越的抗磨粒磨损和抗氧化磨损性能。总之，PVD涂层组成成分在摩擦过程中导致了涂层在硬度、承载能力、排屑行为和摩擦化学行为等方面的差异，并最终影响了涂层的摩擦学性能。 3.CrN涂层的抗钛粘着性能明显优于A1CrN和AlTiN涂层。AlCrN和AlTiN涂层中的Al元素与Ti摩擦副有很高的亲和力，容易引起钛的粘着，不适合与钛配副的摩擦学应用领域。 4.WC/C类金刚石固体润滑涂层在摩擦过程中在对磨球表面形成石墨转移膜，因此涂层表现出良好的润滑效果。与纯钛球配副时，不同滑动模式下涂 层的损伤仅表现为极其轻微的磨粒磨损和氧化磨损；与Si3N4球配副时， WC/C涂层在往复滑动模式下的磨损主要表现为塑性流动、磨粒磨损和氧化磨损，在球-盘滑动模式下的磨损主要表现为剥层和氧化磨损，涂层沉积过程所产生的孔洞缺陷是涂层剥落的起始源。研究发现较小的滑动速度有利于转移膜在两种对磨球表面形成。WC/C涂层拥有良好的抗钛粘着性能，在与钛配副的摩擦学应用领域具有巨大潜力。 3.学位论文安剑物理气相沉积氮化铬涂层的制备及其摩擦学性能研究2007 磁过滤阴极真空弧源沉积(FCVA)是一种优良的涂层物理气相沉积技术，有着其它镀膜形式不可比拟的优点：如高的离化率，高的沉积速率和良好的涂层结合强度等，在工业生产中有着广泛应用前景。 本文采用磁过滤阴极真空弧源沉积技术沉积了CrN涂层，并表征了CrN涂层的微观结构、显微硬度、表面形貌和摩擦学性能，分析了氮气分压，基体偏压，基底温度等工艺参数对涂层结构和性能的影响机理，优化了涂层制备工艺。 利用CETR多功能摩擦磨损试验机，对比研究了自制磁过滤阴极真空弧源和商业化多弧离子镀CrN涂层的往复及销盘两种滑动模式下的摩擦学行为。在摩擦动力学分析基础上，利用扫描电子显微镜(SEM)、激光共焦显微镜(LCSM)、电子能谱(EDX)和X射线衍射(XRD)进行了微观分析，详细地研究了法向载荷、滑动速度等试验参数对两种模式滑动摩擦学特性的影响；分析了摩擦化学对涂层磨损的作用，探讨了CrN涂层的摩擦磨损机理；比较了两种涂层的耐磨性；获得主要结论如下： 1.应用磁过滤阴极真空弧沉积技术制备了Cr过渡层的CrN复合涂层(Cr/CrN)，其氮化铬层的相结构主要由CrN和Cr<，2>N组成。 2.制备FCVA CrN涂层时，氮气分压和基体偏压均存在一最佳参数，过高和过低的工艺参数均使涂层性能下降；沉积前对基体预加热，并没有使涂层性能得到提高；加入纯Cr过渡层后，涂层的各方面性能均得到了提高。 3.在往复和销盘两种滑动测试条件下，两种CrN涂层的摩擦系数都随着法向载荷的增大而降低；随着滑动速度的增大，摩擦系数的稳定值降低。CrN涂层的滑动磨损机制均表现为磨粒磨损和氧化磨损的共同作用. 4.磁过滤阴极真空弧源方法制备的CrN涂层磨损较轻微，耐磨性能优于多弧离子镀法制备的CrN涂层，涂层微结构的差异可能是造成其摩擦磨损性能差异的主要原因。 5.相比多弧离子镀方法制备的CrN涂层，磁过滤阴极真空弧源方法制备的CrN涂层表面更为光滑、致密和连续，硬度和耐磨性更高，但结合强度较低。在高法向载荷下磁过滤阴极真空弧源涂层出现早期失效，与低的结合强度有关。综合研究表明，本文采用磁过滤真空阴极弧源沉积方法合成出了具有高硬度、优异耐磨性能的CrN涂层。 4.会议论文朱旻昊.莫继良物理气相沉积CrN和A1CrN涂层的摩擦学行为研究2009 通过多弧离子镀方法制备CrN涂层和高铝含量的AlCrN(Al：Cr=70：30)涂层， 在CETRUMT-2摩擦磨损试验机上，采用球-平面接触方式，对比研究了两种涂层与Si3N4陶瓷球和纯钛球配副的往复滑动摩擦学行为。用轮廓仪、扫描电镜(SEM)及电子能谱(EDX)对磨痕进行微观分析，在此基础上详细分析了涂层的磨损机理。结果表明，当与Si3N4球对磨时， A1CrN涂层表现出明显较好的排屑效率和承载能力。CrN涂层在正常磨损条件下的耐磨性优于A1CrN涂层，但在高载荷CrN涂层的磨痕中心应力最大处出现局部严重磨损，其磨损机理为剥层、磨粒磨损和氧化磨损。与纯钛球对磨时， CrN涂层的抗钛粘着性能明显优于AlCrN涂层；显然， AlCrN涂层不适合与钛配副的摩擦学应用领域。 5.学位论文曾招钦高能离子注入UHMWPE的表面改性及不同摩擦体系下的摩擦学性能研究2008 超高分子聚乙烯(UHMWPE)具有高的抗冲击性、耐磨性、自润滑性以及优异的生物相容性，广泛地应用于航空、机械和生物医学领域。例如，目前已 作为人工关节的主要材料之一。然而，大量的实验和临床医学研究认为，随着置换关节使用年限的增长，人工关节长期摩擦磨损产生的磨屑(主要为UHMWPE)诱发机体细胞产生一系列不良生物学反应，导致关节松动而过早的失效。近年来，改善UHMWPE摩擦学性备受国内外研究者的关注。本文主要以UHMWPE为研究对象，采用高能离子注入技术进行对UHMWPE表面改性，同时间接地改善摩擦副Ti6Al4V性能，研究不同摩擦体系下的摩擦磨损性能，为拓展 应用领域提供实验数据，探讨延长人工关节寿命的可能性。这是一项非常有意义的基础和应用研究工作。 本文主要实验内容：1)采用高能离子注入技术对UHMWPE进行不同剂量的Ar+注入。采用OM、AFM、FTIR、显微硬度和纳米压入仪及球坑仪观察、测定和分析改性后试样表面形貌、粗糙度、分子结构、表面显微硬度、弹性模量和抗磨损性能。2)偶件Ti6A14V表面处理(低温氧化处理和物理气相沉积CrN涂层，并分析、测定处理后试样表面基本特性、相结构、表面显微硬度和抗磨损性能。3)采用盘-销磨损机研究未处理UHMWPE在不同摩擦副下的摩擦磨损行为及磨损机理；研究Ti6A14V表面处理(低温氧化和物理气相沉积CrN涂层)对UHMWPE磨损性能的影响及磨损机理；研究Ar+注入在不同摩擦副下对UHMWPE摩擦磨损性能的影响及磨损机理。 实验结果表明： (1)UHMWPE经Ar+注入改性后，表面颜色、形貌和粗糙度发生了变化。随注入剂量的增加，颜色由原来的乳白色而依次变成浅黄色、黄褐色和深褐色；光滑的表面呈现出“浮凸”形貌；粗糙度亦随之依次增大，分别为16.9um， 19.8um和38um。表面分子结构亦发生了变化，Ar+注入过程中，高能离子与母相原子的相互作用，以及与氧形成羟基和羰基。同时，分子链间形成了三维网状结构，有效地提高了UHMWPE的表面显微硬度、弹性模量和抗磨损性能，并且呈现出良好的韧性。 (2)Ti6A14V经低温氧化处理后，表面形成了一层以金红石型Ti02为主的氧化层，均匀致密，呈黄褐色条纹状。氧化表面的颜色、粗糙度发生了变化。 PVD CrN涂层亦均匀致密，涂层厚度约为2.15mm。两种表面处理均有效地强化了Ti6A14V表面。氧化后。Ti6A14V与Cr12MoV配副时，其磨损量仅为未处理试样的1.52%。 (3)UHMWPE与316L不锈钢配副时，其磨损率随表面粗糙度增加、或载荷的增加而增加，尤其是机加工表面和高载荷的情况。低温离了氮化316L不锈钢可降低了UHMWPE的磨损率，但因表面粗糙度增加导致摩擦系数略有上升。UHMWPE磨损机制为两体磨粒磨损并伴有一定程度的塑性变形。 (4)UHMWPE与Ti6A14V配副时， UHMWPE出现严重磨损。这可能是由于钛合金表面的“氢脆”化学磨损而导致钛合金严重磨损所引起的。UHMWPE磨损机制主要为三体磨粒磨损，并伴有少量的塑性变形。 (5)表面改性后Ti6A14V能使与之对磨的UHMWPE的磨损量显著减小。低温氧化处理和PVD试样分别为与未处理试样对磨时UHMWPE磨损量的32.4%、35.5%。这主要得益于表面处理后生成的Ti02陶瓷氧化层和CrN涂层有效地抑制“氢脆”的化学磨损。故UHMWPE磨损机理以两体磨粒磨损为主，伴有轻微的塑性变形。 (6)Art注入有效地改善了UHMWPE磨损性能。在与低温离子氮化316L不锈钢配副时，离子注入试样的磨损量低于未处理的试样，且降低的程度随剂量增加而降低。经120km行程后，高剂量注入试样的磨损量为未注入试样的70.7%。在与表面改性后的Ti6A14V， Ar+注入UHMWPE亦表现出高的耐磨性。然而，Ar+注入使UHMWPE的摩擦系数略有升高，并随剂量增加而增大。由于Ar+注入的表面强化作用，磨损表面未呈现出UHMWPE塑性变形的形貌，高剂量注入试样仍保留有注入形貌。 ( 本文链接： htt p ：//d .g. w an f an g d a ta. co m . c n /P e r i odic a l x n j tdx x b200802025 . aspx ) ( 下载时间：2011年3月6日 ) 数据 布鲁克摩擦磨损试验机, 提供更快的速度、更大的扭矩、和更好的力测量。另外，它引入了一些强大的新功能，大大提高了工作效率和易用性。