T i N涂层在一般零件表面的摩擦磨损性能

王永林，李迎吉

（1.中船重工第七〇四研究所，上海200030；2.无锡职业技术学院，江苏 无锡214121）

TiN为过渡金属Ti的氮化物，既有某些与金属相似的性质，又具有很多非金属的性质，且因其化学性能稳定，涂于钢材等表面不容易发生分解以及和别的材料反应，有与钢材的热膨胀系数差异小以及胶粘耐磨损性能优良等特点[1]。TiN涂层作为关键涂层，在一般设备的关键零件也渐渐被应用[2]。但TiN涂层摩擦磨损过程较为复杂，目前还没有完善的理论能全面解释TiN涂层的摩擦磨损机理[3]。

本文在45#钢表面沉积TiN涂层，然后分别在不同的载荷和不同的转速下对45#钢基体和TiN涂层进行摩擦磨损试验，观察两种状态摩擦磨损现象，比较并分析摩擦磨损机理。

1 实验介绍

本实验是在MMW-1A万能摩擦磨损试验机上进行；实验条件为室温，相对湿度30% ～40%；采用单针大环摩擦副形式，大止推圈摩擦副，如图1所示。上销盘选用大止推圈夹头，如图2所示，下圆盘材料为调质处理的45#钢。该摩擦副的摩擦磨损原理图如图3所示。

图1 大止推圈摩擦副

图2 大止推圈夹头

图3 止推圈摩擦副摩擦磨损原理图

2 不同载荷下T i N涂层的摩擦磨损特性

2.1 载荷对T i N涂层的摩擦性能的影响

图4为在转速100 r/min、干摩擦的实验条件下，不同载荷作用下45#钢基体、TiN涂层分别与45#钢圆盘摩擦副作用时摩擦系数的变化曲线图。

图4 45#钢基体、45#钢沉积T i N涂层平均摩擦系数随载荷变化曲线

由图分析可知，在干摩擦的条件下，转速一定（保持在100 r/min）、不同载荷作用下，比较45#钢基体、45#钢表面沉积TiN涂层后的摩擦系数发现，45#钢沉积TiN涂层后摩擦系数竟比45#钢基体的摩擦系数增加了15%～20%左右，故TiN涂层沉积在45#钢表面起不到减小摩擦系数的作用，反而使摩擦更严重。

2.2 载荷对T i N涂层的磨损率的影响

当载荷为40 N、130 N时，TiN涂层的摩擦磨损后的表面形貌如图5.

图5 不同载荷下的磨损形貌

找出造成有了涂层后摩擦系数不降反增的原因还要研究45#钢基体与45#钢沉积TiN涂层的磨损随载荷变化的规律（如图6为45#钢基体、TiN涂层磨损率随载荷和转速的变化曲线）

图6 45#钢基体、45#钢沉积T i N涂层磨损率随载荷变化曲线

分析图6的变化曲线不难看出，在转速保持100 r/min，随着载荷的不断增加，45#钢基体和45#钢沉积TiN涂层的磨损率都呈线性上升的趋势。载荷为40 N时，45#钢基体和TiN涂层的磨损率均为最低值，且差值约为1.2 mg·h-1，差值为整个加载过程中的最小值。由图可见，随着不断的加载，45#钢基体与TiN涂层的磨损率在不断增加的同时，两者之间的差值也越来越大。由此可见，在转速保持一定，TiN涂层有较好的减小磨损作用。

由45#钢基体、45#钢沉积TiN涂层磨损率随载荷变化情况分析不难得到，造成45#钢有了涂层后摩擦系数不降反增的主要原因，45#钢基体的硬度比镀了TiN涂层后硬度硬度低很多，故45#钢与45#钢圆盘摩擦时比45#钢沉积TiN涂层后与45#钢圆盘摩擦产生了更多的磨粒，这些磨粒使原本滑动摩擦的两构件变为非滑动摩擦，即滚动摩擦，而滚动摩擦的摩擦系数是比滑动摩擦的摩擦系数低了很多的，这也就解释了，为什么45#钢表面的TiN涂层的摩擦系数反而比45#钢基体的摩擦系数高。

3 不同转速下T i N涂层的摩擦磨损特性

3.1 转速对T i N涂层的摩擦性能的影响

图7为在在干摩擦条件下、载荷一定（加载40 N），不同转速情况下，45#钢基体、45#钢表面的TiN涂层分别与45#钢圆盘摩擦副摩擦系数随转速变化的曲线，由图可以看出，两种材料的摩擦系数随转速变化都呈略微下降在上升的趋势。在干摩擦的条件下，转速在100 r/min～150 r/min之间不断增加，平均摩擦系数是有略微减小的趋势的。转速在150 r/min～250 r/min之间增加时，平均摩擦系数有显著增加。而在整个实验过程的采集数据中发现，在载荷一定，转速不断变化过程中，45#钢沉积TiN涂层后摩擦系数反而是增加的。

图7 45#钢基体镀前镀后平均摩擦系数随转速变化曲线

3.2 转速对T i N涂层的磨损率的影响

当转速为100 r/min、250 r/min时，TiN涂层的摩擦磨损后的表面形貌如图8所示。

图8 45#钢表面的T i N涂层不同载荷下的磨损形貌

图9为45#钢镀TiN涂层前后磨损率随转速的变化曲线。

图9 45#钢镀前镀后磨损率随转速变化曲线

由图可以看出，载荷一定的情况下（加载40 N），45#钢基体和TiN涂层的磨损率随转速变化都呈先略微下降再上升趋势。转速100 r/min～150 r/min不断增加的过程中，45#钢基体和45#钢沉积TiN涂层的磨损率略有下降且差值最小；150 r/min后随着转速不断增加两试样的磨损率变化有所不同，虽均呈现上升趋势，但45#钢磨损更为严重，转速为200 r/min时，45#钢基体和45#钢沉积TiN涂层的的磨损率差值达到最大，此时，45#钢表面的涂层已经出现了一些破坏，在此之后，45#钢沉积TiN涂层的磨损率迅速升高，两试样的磨损率差值迅速缩小。当转速达到250 r/min时，由于45#钢表面的涂层已经大部分被破坏，其磨损率与45#钢接近。

由此可见图3曲线中在转速200 r/min以后两种试样的摩擦系数越来越相近的主要原因是由于4随着转速不断增加，摩擦副之间的温度不断增加，温度的不断增加使得TIN涂层与45#钢基体之间的结合强度变差从而使涂层从45#钢表面不断的脱落，涂层慢慢脱落后其各项性能会越来越接近于基体本身。

4 结束语

由本实验得到的结果显示，由于TiN涂层硬度较高，在45#钢表面沉积TiN涂层后，摩擦系数反而比基体的摩擦系数高，虽TiN涂层不能降低摩擦系数，但却能有效降低基体表面的磨损率，特别是在转速不高的情况下，45#钢表面的TiN涂层使磨损率出现减小。

[1]薛景文.摩擦学及润滑技术[M].北京：兵器工业出版社，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]张泰华，郇 勇，杨业敏，等.氮化钛沉积膜的摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报，2003，23（5）：367-370.