金屬陶瓷硬質涂覆層耐磨材料耐磨損性能的三種測量方法

對金屬陶瓷硬質涂覆層耐磨材料耐磨損性能的定量研究主要是指當涂覆層材料與不同摩擦副在不同條件下發生摩擦時的磨損率和摩擦系數的確定。其中，摩擦系數主要是根據磨損試驗中所測定的摩擦力與施加的接觸壓力之比確定。對磨損率的研究方法主要有磨損失重法、磨損體積法、能量法等，并分別建立了不同的磨損率模型。
1 磨損體積法
磨損體積法是通過對磨痕的幾何尺寸進行測量，得到涂覆層材料的磨損體積，根據磨損體積確定磨損率。早的磨損率模型是Archard通過對橡膠材料的磨損試驗得出的經典的Archard磨損率公式，表達式為w·=kA , W為磨損量，w·為磨損率，其含義是滑移單位距離損失的體積，k是沒有量綱的Archard 磨損系數，A是實際的接觸面積。在Archard磨損率模型基礎上，許多學者根據具體的磨損條件建立了相應的體積磨損率模型。L.C.Erickson等在低碳鋼基體上等離子噴涂氧化鋁、氧化鉻、氧化鋁一氧化鐵等陶瓷涂層，試驗研究了涂層硬度、氣孔率與磨損體積之間的關系，得到硬度與磨損率的關系為W =k/Hn，在研究斷裂切性對磨損的影響時，對己有的公式W=k/H0.5KIC0.5產提出利用微觀結構因子M=Pn進行修正，以同時考慮氣孔率、硬度和斷裂因子共同對磨損的影響。Hsyi-En Cheng 等利用CVD技術在Si3N4基刀具材料上涂覆TiN 涂層，研究了涂層厚度對刀具磨損性能的影響，研究結果表明，當涂層的厚度為一特定值時，刀具的壽命大；薄涂層時刀具磨損以月牙洼為主，中等厚度的涂層刀具的磨損形式主要是刀尖磨損，厚涂層時刀具以后刀面磨損為主，并給出了金屬陶瓷涂層刀具磨損率的計算公式。Koji Kameo等利用盤-銷磨損試驗，研究了金屬陶瓷盤與鋼銷滑動摩擦特性，通過對滑痕幾何尺寸的測量，建立了與磨痕深度、滑動面積、施加載荷以及滑動距離有關的磨損率模型。

圖（1）軸承表面陶瓷涂層
2 磨損失重法
由于材料在磨損過程中形成的磨痕多數屬于不規則形狀，對磨損體積的確定有時比較困難，且與實際誤差較大，于是，人們想到通過測量材料磨損過程中失去的質量來確定材料的磨損率，這就是磨損失重法。Jen Fin Lin等利用磨損失重法試驗研究了CrN陶瓷薄膜涂層厚度與磨損率的關系，試驗結果表明，對于涂層厚度存在一個臨界值，當厚度小于該臨界值，隨著涂層厚度的增加，磨損失重量減少，大于該臨界值，涂層的磨損失重量又增加。V.Fervel等在25CD4(0.25%C, 1%Cr)鋼基體上離子噴涂涂覆Al2O3/TiO2：陶瓷涂層和WC/Co硬質合金涂層，進行環一塊磨損試驗，利用失重法測試了摩擦系數和磨損率。Koji Kameo等利用盤-銷磨損試驗，研究了金屬陶瓷與鋼銷滑動摩擦時的磨損性能，通過對磨損過程中摩擦副失去質量的測量，建立基于磨損失重質量、摩擦副材料密度、施加載荷以及滑動距離的材料磨損率模型。
3 能量法

圖（2）細管內壁陶瓷涂層
雖然磨損失重法較磨損體積法的精度有所提高，但仍然存在誤差，且這兩種方法都是基于磨損的表觀現象建立磨損率模型。由于涂層材料在磨損的過程中所消耗的能量與磨損體積呈線性關系，而且隨著消耗能量的增加涂層材料的體積磨損增大。因此，更加準確并從磨損實質出發而得到的能量法正逐步被人們所采納。S.Fouvry 等利用能量的方法分析了硬質涂層的磨損機理，得到磨損過程中消耗的總的能量ΣEd與磨損體積下之間的關系曲線是不過原點的線性直線，直線的斜率av (能量磨損系數)代表消耗單位焦耳的能量磨損掉的體積。直線在能量軸上的截距為能量門檻值Edth，只有當磨損過程中消耗的總能量大于該門檻值，磨損體積才能大于零。能量門檻值與材料的塑性有關，塑性越大，該值越大。研究同時表明，金屬陶瓷硬質覆層的能量磨損系數比金屬的小得多，說明了其耐磨損性能優于金屬。M.Z.Huq等研究了氧化鋁球與TiN涂層單向和雙向滑動摩擦過程，提出摩擦過程中消耗的能量為Ed=μvstP ，其中μ為摩擦系數，P為施加的壓力，vs為相對的滑動速度，t 為磨損的時間。對消耗的能量與涂層材料的磨損性能之間的關系進行了研究。
通過以上三種方法測量金屬陶瓷硬質涂層耐磨材料具有很的耐磨性能，可以應用于各種復雜工況也可以應用于軸承表面滑動磨損。