《材料的摩擦磨损》课程考查论文
CNx/TiN复合涂层
的摩擦磨损性能研究
南京航空航天大学
二О一二年六月
CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能研究
摘 要：采用多弧—磁控溅射沉积技术在高速钢基体上沉积了CNx/TiN复合涂层，通过对不同速度、载荷下的摩擦磨损试验前后CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损系数、显微形貌及涂层和对偶球磨损量的观察分析，研究了CNx/TiN复合涂层的摩擦学性能。结果表明，CNx/TiN复合涂层的平均摩擦系数均较低。在相同的滑动速度l.0m/s下，载荷小于或接近临界载荷时，CNx/TiN复合涂层与对偶球之间的磨损机制主要是磨粒磨损，当载荷大于临界载荷时，随载荷增大逐渐表现为粘着磨损为主要磨损机制。在相同载荷70N下，随着摩擦滑动速度的下降，涂层和对偶球的磨损都有增加，尤其是涂层的磨损增加更加明显，表明CNx/TiN涂层在高速条件下的抗磨损能力高于低速条件。
关键词：复合涂层；临界载荷；磨损机制
1引言
对于相互接触并相对运动的摩擦部件而言，精密度和寿命则为其正常运行的关键问题，而其表面物理、化学、机械性能所决定的摩擦学特性在很大程度上决定了其精密度和寿命。由于表面工程技术和材料科学的发展，可以通过选择、设计复合薄膜或涂层以解决主体材料表面无法满足的技术需要。复合涂层或薄膜 （包括摩擦学及光、电、磁和化学等功能涂层）的设计，主要是在按照硬度、强度、机加工等性能要求而选择的主体（基体）材料表面引入一个功能薄膜或涂层以满足或改善材料表面的摩擦学、光、电、磁及化学等性能要求。摩擦学涂层的设计原则主要是通过涂层或薄膜改善或赋予主体材料表面不具备或原本较弱的两类功能，即适宜的摩擦特性和良好的抗磨性能[1]。
涂层根据硬度的不同分为两个部分：（1）硬质涂层的硬度40GPa[2]。在大量的硬质材料中，仅有少数的超硬材料:如立方氮化硼（c—BN），非晶类金刚石碳膜，非晶氮化碳和多晶金刚石。但是这些超硬材料是非热力学稳定的，这限制了他们的一些应用。由于TiN具有良好的红硬性、韧性、高温抗氧化性，TiN成为最先被广泛使用的硬质涂层材料。从六十年代末开始，己经广泛地应用于刀具涂层，表面装饰保护，模具耐磨耐蚀涂层。
1989年，Liu[3]根据固体弹性模量的经验公式，应用从头计算方法，从理论上预言了氮化碳的理想结构β-C3N4的硬度接近或超过金刚石的硬度。这种材料含N量达4/7，化学稳定性和热稳定性优良，可以克服金刚石不能加工钢铁的缺点。从此世界各国材料科学家都在致力于这种新型超硬材料的制备。
对于给定的硬质薄膜的摩擦性能主要由膜层的硬度、膜层的抗断裂强度、接触温度、化学成分以及结构决定。对于一定的实际应用条件，可以通过提高膜层
的抗断裂强度，同时保持膜层的现有硬度，提高膜层的摩擦学性能。一种提高膜层抗断裂强度的可行方法为采用交替沉积两种性能或成分不同的材料，形成层状结构，这种多层结构可抑制裂纹的扩展，提高膜层的抗断裂强度。本文采用多弧—磁控溅射沉积技术在高速钢基体上沉积了CNx/TiN复合涂层，并对其摩擦磨损性能进行了测试。
2 CNx/TiN复合涂层的制备
2.1氮化碳（C3N4）超硬涂层材料
Liu等人以C原子取代β-Si3N4中的Si原子设计出β- C3N4，采用不同的思路计算C3N4，考虑了空间群结构，认为至少存在7种C3N4形式：β- C3N4和c - C3N4各有两种结构，a- C3N4，两种类石墨相。其中四面体结构的α、β、c- C3N4是硬质亚稳相，石墨相为软质相，相对稳定。一般认为，在C3N4的生长过程中，由于各项之间的能量差异不大，同时生长是难以避免的。石墨相能量最低极易生长，硬质相中的α- C3N4能量最低，将优先生长，立方相能量较高难以得到。实验合成C3N4的成分和结构相当复杂，是多种结构的混合物以及碳的石墨相，无定型氮化碳等[4]。
2.2 CNx/TiN复合涂层的制备工艺
本文采用多弧—磁控溅射沉积技术制备CNx/TiN复合涂层。多弧—磁控溅射系统共有三个阴极，一个作多弧靶（Ti靶），另外两个作磁控溅射靶（碳靶），衬底为高速钢[5]。工作时同时启动石墨溅射靶和多弧钛靶，随着衬底的旋转，在衬底上生长出CNx/TiN复合交替膜。涂层的平均厚度为3μm。在靶前装有栅网，连接负偏压电源（离子辅助沉积电源）以调节和控制流向衬底的正离子密度和能量。衬底连接偏压电源，安放样品的工件架可调节旋转速度。工作时以高纯氮气和氩气为反应溅射气体。气体通过流量计引入溅射室，调节流量大小来控制溅射气压。多弧—磁控溅射系统如图2.1所示：
图2.1 多弧—磁控溅射系统
1 衬底加热装置 2 石墨溅射靶 3 真空泵 4 偏压电源 5 旋转工件架
6 流量控制计 7 Ar 8N2 9 Ti多弧靶/挡板
CNx的晶粒尺寸明显小于TiN，这是因为磁控溅射生成的C3N4存在多相竟相生长的原因，因此形成的晶粒较小;而多弧是蒸发电离Ti+2，反应生成TiN，反应速度快，因此形成的晶粒尺寸较大。这样，如果最后表面形成的是TiN层，则表面的粗糙度会大一些[6]。
2.3 CNx/TiN复合涂层的临界载荷
根据赫兹弹性接触理论：
图2.2 两刚性球形体接触示意图
R1=R2，接触应力σ为
其中：v1 ，v2分别为被测盘材料和对偶球材料的泊松比；E1和E2分别是被测盘材料和对偶球材料的弹性模量；R是对偶球的半径
当赫兹接触应力σ =1/3H（H为材料的硬度）时，弹性形变转变为塑性形变。临界载荷Lc定义为:
这里v1 = v2 ，增大材料的硬度和球体的曲率半径，都可以使临界载荷增大。 根据临界载荷计算公式，对于CNx/TiN/HSS样品，计算得出HSS衬底的临界载荷为54N。当载荷L>54N时，HSS衬底将开始发生塑性形变，此时CNx/TiN涂层仍处在弹性形变区域。因此，HSS衬底与CNx/TiN涂层因不同形变产生的的形变差将会在CNx/TiN涂层中产生极大的应力，导致薄膜中产生裂纹，随着裂纹的扩大而产生碎片并出现碎片剥离现象[7]。那么此时的磨损特性就不仅仅是薄膜的本征摩擦磨损特性，必须考虑陶瓷材料的断裂韧性问题。我们选择载荷50N（L54N）作为载荷摩擦磨损测试条件,其中会存在一个临界载荷，即CNx/TiN复合涂层的临界载荷，影响着薄膜的摩擦磨损特性。 3 CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能
采用划痕法测得的CNx/TiN复合涂层的临界载荷在31.4—80N之间，均大于标准规定的29.4N[6]。接下来对CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能进行研究[8]。
3.1不同载荷下CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能
CNx/TiN复合涂层在50N，l.0m/s下的摩擦摩擦系数是逐渐变小并最终成一稳定值。CNx/TiN涂层并没有大的磨损，没有出现破损和犁沟，只是表面的微凸消失，变得光滑了，类似于“抛光” 效果。这时CNx/TiN涂层的磨损形式为磨粒磨损，表面发生类似于抛光过程的磨损。
图3.1 在l.0m/s速度下不同载荷的摩擦系数曲线 图3.2 不同载荷下销与盘的磨损量比较
图3.3 不同载荷下的磨痕截面轮廓图
70N的载荷是大于临界载荷的，该载荷下会产生裂纹，出现可以观察到的微小涂层破损，薄膜己经开始被磨穿，但磨穿的部分只占磨痕的一小部分，其余的部分的磨损量还很小，依然起到了对衬底的保护作用，摩擦盘的磨损多为CNx/TiN涂层的磨损，衬底的磨损只占小部分。说明载荷为70N时，CNx/TiN涂层中出现的裂纹数目和长度都还不是很大。而在载荷为100N时，裂纹的数目和长度多已增大了许多;当载荷为300N时，涂层开始破碎，对偶球很快与衬底发生接触，形成粘着磨损。同时CNx/TiN涂层的碎片，也会产生一些磨粒磨损，使得衬底的磨损急剧增加，同时对偶球与金属衬底的磨损也开始增加。
图3.4 分别在50N、70N、100N载荷下对偶球的磨损(SEM)
50N载荷下，即薄膜未被磨穿的时候，对偶球的表面是平整而光滑的；70N载荷下，即当涂层出现磨损并被磨穿的时候，对偶球的截面上就会出现一个突出的部分，这一部分就是对偶球与衬底相互摩擦而未被磨去的部分，说明衬底的抗磨损能力远不如薄膜；100N载荷下，可以看到对偶球的表面是典型的与金属相摩擦形成的划痕，非常的不平整。
图3.5涂层与高速钢基底的结合截面 图3.6 涂层与高速钢基底的结合观察 从涂层与高速钢基底的结合截面图可以看到薄膜与高速钢基底的结合是非常好的，没有出现空洞或者其它缺陷。薄膜上的裂纹是在线切割的过程中产生的，与实验过程无关。附着力测试的结果证明薄膜与高速钢衬底的紧密结合会产生较高的附着力，同时可以看出薄膜是非常致密的，相对于高速钢基底较多的空洞。在涂层被完全磨穿的情况下，涂层依然与高速钢基底结合牢固，没有出现剥离的状况。
3.2 不同转速下CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能
为了更好地说明CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能，本文进行了对比试验，所用载荷为70N，速度选用接近实际刀具运用中的速度，分别为0.35m/s，0.40m/s，0.62m/s和1.0m/s。滑动距离为3000m。
图3.8 70N载荷下不同速度的摩擦系数曲线 图3.9 不同速度的销与盘的磨损量比较
图3.10 不同速度下的磨痕截面轮廓图
从70N载荷下不同速度的摩擦系数曲线上可以发现：随转速加大，稳态摩擦系数从0.135变化到0.146。随着摩擦滑动速度的下降，涂层和对偶球的磨损都有增加，尤其是涂层的磨损增加更加明显。这是由于随滑动速度的下降，对偶球与涂层之间出现粘着磨损的比例加大，增加了涂层的磨损，尤其是在涂层开始破裂并暴露出衬底时，高速钢衬底与对偶球之间的粘着磨损增大，形成摩擦盘的主要磨损因素。而且由于粘着的影响，破裂的突出边缘部分更容易因受力形成更多的裂纹，最终更容易从涂层中剥离出去。
3.3 本章小结
当加载载荷低于临界载荷时，没有观察到明显的CNx/TiN复合涂层磨损
（摩
擦盘的磨损体积为零），而对偶球有显著的磨损。随载荷加大磨损形式由以磨粒磨损为主逐渐像以粘着磨损为主转变，涂层裂纹增多并连接，层状脱落，此时涂层的抗磨损性能主要取决于涂层的抗断裂能力，即陶瓷中的断裂韧性起主要作用。
对应于70N的稳定载荷，随着速度从0.35m/s上升至1.00m/s，摩擦系数上升的同时磨损体积逐渐下降，说明CNx/TiN复合涂层在高速条件下的抗磨损能力高于低速条件。
4 CNx/TiN复合涂层的应用及展望
CNx/TiN复合涂层在刀具，枪钻，模具等方面的应用已经得到证实，效果良好。经CNx/TiN复合涂层涂覆后的刀具、钻头摩擦系数很小，热稳定性能好，因而磨损量下降，从而延长了刀具、钻头的使用寿命[9,10]。模具材料经CNx/TiN复合涂层涂覆后抗疲劳性质、韧性、模具表面的抗摩擦磨损能力均有所提高，模具表面的磨损减少，从而达到提高模具的使用寿命的目的。CNx/TiN多层复合涂层除了在工具工业上得到了良好的应用，在机械、能源、军工等方面的应用效果也很突出，都具有很好的应用前景。
参考文献
[1] 张俊彦.薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展[J]. 摩擦学学报,2006,26(4)
[2] 刘传胜.氮化碳纳米复合涂层摩擦磨损和耐水独研究.武汉大学博士学位论文
[3] M.L.Cohen,Caleulation of bulk of diamond and zinc-blendesolids.Phys RevB
[4] β-C3N4研究的新进展.物理,1997,26(1)
[5] C.S.Liu,X.J.Fanetal..Multilayer CNx/TiN composite films PrePared by multi-arc assisted dc
reactive magnetrons Puttering. Surf.Coat.Teehnol,2000,128(129)
[6] Matsumoto S,Xie EQ,Izumi F.On the Validity of the Formation of Crystalline Carbon
Nitrides- C3N4.Diamond Relat.Mater,1999
[7] 吴大维,曾昭元,刘传胜.高速钢镀氮化碳超硬涂层及其应用研究[J].核技术,2003,26(4)
[8] 谢存毅.纳米压痕技术在材料科学中的应用[J].物理,2001,30(7)
[9] 吴大维,刘传胜,高鹏.氮化碳超硬涂层材料在高速钢刀具上的应用[J].2000年全国切削刀
具技术学术研讨会论文集
[10] 吴大维,刘传胜,付德君.刀具涂层技术的研究进展[J].中国机械工程,2002,11(5)
《材料的摩擦磨损》课程考查论文
CNx/TiN复合涂层
的摩擦磨损性能研究
南京航空航天大学
二О一二年六月
CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能研究
摘 要：采用多弧—磁控溅射沉积技术在高速钢基体上沉积了CNx/TiN复合涂层，通过对不同速度、载荷下的摩擦磨损试验前后CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损系数、显微形貌及涂层和对偶球磨损量的观察分析，研究了CNx/TiN复合涂层的摩擦学性能。结果表明，CNx/TiN复合涂层的平均摩擦系数均较低。在相同的滑动速度l.0m/s下，载荷小于或接近临界载荷时，CNx/TiN复合涂层与对偶球之间的磨损机制主要是磨粒磨损，当载荷大于临界载荷时，随载荷增大逐渐表现为粘着磨损为主要磨损机制。在相同载荷70N下，随着摩擦滑动速度的下降，涂层和对偶球的磨损都有增加，尤其是涂层的磨损增加更加明显，表明CNx/TiN涂层在高速条件下的抗磨损能力高于低速条件。
关键词：复合涂层；临界载荷；磨损机制
1引言
对于相互接触并相对运动的摩擦部件而言，精密度和寿命则为其正常运行的关键问题，而其表面物理、化学、机械性能所决定的摩擦学特性在很大程度上决定了其精密度和寿命。由于表面工程技术和材料科学的发展，可以通过选择、设计复合薄膜或涂层以解决主体材料表面无法满足的技术需要。复合涂层或薄膜 （包括摩擦学及光、电、磁和化学等功能涂层）的设计，主要是在按照硬度、强度、机加工等性能要求而选择的主体（基体）材料表面引入一个功能薄膜或涂层以满足或改善材料表面的摩擦学、光、电、磁及化学等性能要求。摩擦学涂层的设计原则主要是通过涂层或薄膜改善或赋予主体材料表面不具备或原本较弱的两类功能，即适宜的摩擦特性和良好的抗磨性能[1]。
涂层根据硬度的不同分为两个部分：（1）硬质涂层的硬度40GPa[2]。在大量的硬质材料中，仅有少数的超硬材料:如立方氮化硼（c—BN），非晶类金刚石碳膜，非晶氮化碳和多晶金刚石。但是这些超硬材料是非热力学稳定的，这限制了他们的一些应用。由于TiN具有良好的红硬性、韧性、高温抗氧化性，TiN成为最先被广泛使用的硬质涂层材料。从六十年代末开始，己经广泛地应用于刀具涂层，表面装饰保护，模具耐磨耐蚀涂层。
1989年，Liu[3]根据固体弹性模量的经验公式，应用从头计算方法，从理论上预言了氮化碳的理想结构β-C3N4的硬度接近或超过金刚石的硬度。这种材料含N量达4/7，化学稳定性和热稳定性优良，可以克服金刚石不能加工钢铁的缺点。从此世界各国材料科学家都在致力于这种新型超硬材料的制备。
对于给定的硬质薄膜的摩擦性能主要由膜层的硬度、膜层的抗断裂强度、接触温度、化学成分以及结构决定。对于一定的实际应用条件，可以通过提高膜层
的抗断裂强度，同时保持膜层的现有硬度，提高膜层的摩擦学性能。一种提高膜层抗断裂强度的可行方法为采用交替沉积两种性能或成分不同的材料，形成层状结构，这种多层结构可抑制裂纹的扩展，提高膜层的抗断裂强度。本文采用多弧—磁控溅射沉积技术在高速钢基体上沉积了CNx/TiN复合涂层，并对其摩擦磨损性能进行了测试。
2 CNx/TiN复合涂层的制备
2.1氮化碳（C3N4）超硬涂层材料
Liu等人以C原子取代β-Si3N4中的Si原子设计出β- C3N4，采用不同的思路计算C3N4，考虑了空间群结构，认为至少存在7种C3N4形式：β- C3N4和c - C3N4各有两种结构，a- C3N4，两种类石墨相。其中四面体结构的α、β、c- C3N4是硬质亚稳相，石墨相为软质相，相对稳定。一般认为，在C3N4的生长过程中，由于各项之间的能量差异不大，同时生长是难以避免的。石墨相能量最低极易生长，硬质相中的α- C3N4能量最低，将优先生长，立方相能量较高难以得到。实验合成C3N4的成分和结构相当复杂，是多种结构的混合物以及碳的石墨相，无定型氮化碳等[4]。
2.2 CNx/TiN复合涂层的制备工艺
本文采用多弧—磁控溅射沉积技术制备CNx/TiN复合涂层。多弧—磁控溅射系统共有三个阴极，一个作多弧靶（Ti靶），另外两个作磁控溅射靶（碳靶），衬底为高速钢[5]。工作时同时启动石墨溅射靶和多弧钛靶，随着衬底的旋转，在衬底上生长出CNx/TiN复合交替膜。涂层的平均厚度为3μm。在靶前装有栅网，连接负偏压电源（离子辅助沉积电源）以调节和控制流向衬底的正离子密度和能量。衬底连接偏压电源，安放样品的工件架可调节旋转速度。工作时以高纯氮气和氩气为反应溅射气体。气体通过流量计引入溅射室，调节流量大小来控制溅射气压。多弧—磁控溅射系统如图2.1所示：
图2.1 多弧—磁控溅射系统
1 衬底加热装置 2 石墨溅射靶 3 真空泵 4 偏压电源 5 旋转工件架
6 流量控制计 7 Ar 8N2 9 Ti多弧靶/挡板
CNx的晶粒尺寸明显小于TiN，这是因为磁控溅射生成的C3N4存在多相竟相生长的原因，因此形成的晶粒较小;而多弧是蒸发电离Ti+2，反应生成TiN，反应速度快，因此形成的晶粒尺寸较大。这样，如果最后表面形成的是TiN层，则表面的粗糙度会大一些[6]。
2.3 CNx/TiN复合涂层的临界载荷
根据赫兹弹性接触理论：
图2.2 两刚性球形体接触示意图
R1=R2，接触应力σ为
其中：v1 ，v2分别为被测盘材料和对偶球材料的泊松比；E1和E2分别是被测盘材料和对偶球材料的弹性模量；R是对偶球的半径
当赫兹接触应力σ =1/3H（H为材料的硬度）时，弹性形变转变为塑性形变。临界载荷Lc定义为:
这里v1 = v2 ，增大材料的硬度和球体的曲率半径，都可以使临界载荷增大。 根据临界载荷计算公式，对于CNx/TiN/HSS样品，计算得出HSS衬底的临界载荷为54N。当载荷L>54N时，HSS衬底将开始发生塑性形变，此时CNx/TiN涂层仍处在弹性形变区域。因此，HSS衬底与CNx/TiN涂层因不同形变产生的的形变差将会在CNx/TiN涂层中产生极大的应力，导致薄膜中产生裂纹，随着裂纹的扩大而产生碎片并出现碎片剥离现象[7]。那么此时的磨损特性就不仅仅是薄膜的本征摩擦磨损特性，必须考虑陶瓷材料的断裂韧性问题。我们选择载荷50N（L54N）作为载荷摩擦磨损测试条件,其中会存在一个临界载荷，即CNx/TiN复合涂层的临界载荷，影响着薄膜的摩擦磨损特性。 3 CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能
采用划痕法测得的CNx/TiN复合涂层的临界载荷在31.4—80N之间，均大于标准规定的29.4N[6]。接下来对CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能进行研究[8]。
3.1不同载荷下CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能
CNx/TiN复合涂层在50N，l.0m/s下的摩擦摩擦系数是逐渐变小并最终成一稳定值。CNx/TiN涂层并没有大的磨损，没有出现破损和犁沟，只是表面的微凸消失，变得光滑了，类似于“抛光” 效果。这时CNx/TiN涂层的磨损形式为磨粒磨损，表面发生类似于抛光过程的磨损。
图3.1 在l.0m/s速度下不同载荷的摩擦系数曲线 图3.2 不同载荷下销与盘的磨损量比较
图3.3 不同载荷下的磨痕截面轮廓图
70N的载荷是大于临界载荷的，该载荷下会产生裂纹，出现可以观察到的微小涂层破损，薄膜己经开始被磨穿，但磨穿的部分只占磨痕的一小部分，其余的部分的磨损量还很小，依然起到了对衬底的保护作用，摩擦盘的磨损多为CNx/TiN涂层的磨损，衬底的磨损只占小部分。说明载荷为70N时，CNx/TiN涂层中出现的裂纹数目和长度都还不是很大。而在载荷为100N时，裂纹的数目和长度多已增大了许多;当载荷为300N时，涂层开始破碎，对偶球很快与衬底发生接触，形成粘着磨损。同时CNx/TiN涂层的碎片，也会产生一些磨粒磨损，使得衬底的磨损急剧增加，同时对偶球与金属衬底的磨损也开始增加。
图3.4 分别在50N、70N、100N载荷下对偶球的磨损(SEM)
50N载荷下，即薄膜未被磨穿的时候，对偶球的表面是平整而光滑的；70N载荷下，即当涂层出现磨损并被磨穿的时候，对偶球的截面上就会出现一个突出的部分，这一部分就是对偶球与衬底相互摩擦而未被磨去的部分，说明衬底的抗磨损能力远不如薄膜；100N载荷下，可以看到对偶球的表面是典型的与金属相摩擦形成的划痕，非常的不平整。
图3.5涂层与高速钢基底的结合截面 图3.6 涂层与高速钢基底的结合观察 从涂层与高速钢基底的结合截面图可以看到薄膜与高速钢基底的结合是非常好的，没有出现空洞或者其它缺陷。薄膜上的裂纹是在线切割的过程中产生的，与实验过程无关。附着力测试的结果证明薄膜与高速钢衬底的紧密结合会产生较高的附着力，同时可以看出薄膜是非常致密的，相对于高速钢基底较多的空洞。在涂层被完全磨穿的情况下，涂层依然与高速钢基底结合牢固，没有出现剥离的状况。
3.2 不同转速下CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能
为了更好地说明CNx/TiN复合涂层的摩擦磨损性能，本文进行了对比试验，所用载荷为70N，速度选用接近实际刀具运用中的速度，分别为0.35m/s，0.40m/s，0.62m/s和1.0m/s。滑动距离为3000m。
图3.8 70N载荷下不同速度的摩擦系数曲线 图3.9 不同速度的销与盘的磨损量比较
图3.10 不同速度下的磨痕截面轮廓图
从70N载荷下不同速度的摩擦系数曲线上可以发现：随转速加大，稳态摩擦系数从0.135变化到0.146。随着摩擦滑动速度的下降，涂层和对偶球的磨损都有增加，尤其是涂层的磨损增加更加明显。这是由于随滑动速度的下降，对偶球与涂层之间出现粘着磨损的比例加大，增加了涂层的磨损，尤其是在涂层开始破裂并暴露出衬底时，高速钢衬底与对偶球之间的粘着磨损增大，形成摩擦盘的主要磨损因素。而且由于粘着的影响，破裂的突出边缘部分更容易因受力形成更多的裂纹，最终更容易从涂层中剥离出去。
3.3 本章小结
当加载载荷低于临界载荷时，没有观察到明显的CNx/TiN复合涂层磨损
（摩
擦盘的磨损体积为零），而对偶球有显著的磨损。随载荷加大磨损形式由以磨粒磨损为主逐渐像以粘着磨损为主转变，涂层裂纹增多并连接，层状脱落，此时涂层的抗磨损性能主要取决于涂层的抗断裂能力，即陶瓷中的断裂韧性起主要作用。
对应于70N的稳定载荷，随着速度从0.35m/s上升至1.00m/s，摩擦系数上升的同时磨损体积逐渐下降，说明CNx/TiN复合涂层在高速条件下的抗磨损能力高于低速条件。
4 CNx/TiN复合涂层的应用及展望
CNx/TiN复合涂层在刀具，枪钻，模具等方面的应用已经得到证实，效果良好。经CNx/TiN复合涂层涂覆后的刀具、钻头摩擦系数很小，热稳定性能好，因而磨损量下降，从而延长了刀具、钻头的使用寿命[9,10]。模具材料经CNx/TiN复合涂层涂覆后抗疲劳性质、韧性、模具表面的抗摩擦磨损能力均有所提高，模具表面的磨损减少，从而达到提高模具的使用寿命的目的。CNx/TiN多层复合涂层除了在工具工业上得到了良好的应用，在机械、能源、军工等方面的应用效果也很突出，都具有很好的应用前景。
参考文献
[1] 张俊彦.薄膜/涂层的摩擦学设计及其研究进展[J]. 摩擦学学报,2006,26(4)
[2] 刘传胜.氮化碳纳米复合涂层摩擦磨损和耐水独研究.武汉大学博士学位论文
[3] M.L.Cohen,Caleulation of bulk of diamond and zinc-blendesolids.Phys RevB
[4] β-C3N4研究的新进展.物理,1997,26(1)
[5] C.S.Liu,X.J.Fanetal..Multilayer CNx/TiN composite films PrePared by multi-arc assisted dc
reactive magnetrons Puttering. Surf.Coat.Teehnol,2000,128(129)
[6] Matsumoto S,Xie EQ,Izumi F.On the Validity of the Formation of Crystalline Carbon
Nitrides- C3N4.Diamond Relat.Mater,1999
[7] 吴大维,曾昭元,刘传胜.高速钢镀氮化碳超硬涂层及其应用研究[J].核技术,2003,26(4)
[8] 谢存毅.纳米压痕技术在材料科学中的应用[J].物理,2001,30(7)
[9] 吴大维,刘传胜,高鹏.氮化碳超硬涂层材料在高速钢刀具上的应用[J].2000年全国切削刀
具技术学术研讨会论文集
[10] 吴大维,刘传胜,付德君.刀具涂层技术的研究进展[J].中国机械工程,2002,11(5)