摩擦磨损性能

图2-32为摩擦试验参数（摩擦时间、转速和载荷）变化对基体、熔覆层及重熔涂层磨损量的影响。由图2-32可知，Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层的耐磨性较高，优于未重熔的激光熔覆层和基体，在同样的条件下，非晶复合涂层磨损失重是未重熔激光熔覆层的1/3，是基体的1/8。这主要是因为激光重熔涂层内部由于含有非晶相，使得其具有较高的硬度和弹性模量，并且，非晶相本身具有良好的耐磨性，在磨损过程中不易出现传统涂层的剥层磨损；另外，激光熔覆涂层经过重熔以后具有致密的结构，涂层与基体之间结合紧凑，具有较高的结合强度和内聚结合强度，这些因素均有利于提高涂层的耐磨性。同时，由图2-32还可看出，重熔涂层、激光熔覆涂层和基体磨损失重与磨损时间、转速和载荷之间都呈线性的关系，但激光重熔涂层的增长速率要远远低于基体。随摩擦转速的增加，摩擦的线速度也随之增加，涂层的磨损量也随之增大。这是由于随着滑动线速度的增加，引起摩擦温度上升加快，使得水溶液在涂层和摩擦副之间不断减少，两者的接触面积增加，导致边界膜的承载能力降低，即容易损坏而导致摩擦副之间的直接接触，严重时甚至引起粘着磨损，同时加速磨料磨损和疲劳磨损，因此高摩擦转速条件下其磨损量较大。同样随着摩擦时间和载荷的增加，也呈现出类似的规律。

图2-32 基体、熔覆层及重熔层在不同摩擦条件下的磨损量

（a）时间 （b）转速 （c）载荷

Archard通过对粗糙表面金属磨损行为的分析，提出在磨损过程中，磨损实际接触表面主要与载荷的大小和硬度有关［97］。在滑动摩擦过程中，粗糙表面的接触导致了材料的变形、破坏和除去，产生磨损现象。Archard认为材料磨损体积为

式中：VW为材料磨损体积；k为摩擦系数；S为磨损距离；N为载荷大小；H为材料硬度。由式（2-9）可知，材料的磨损量与磨损距离呈线性关系，并且材料的磨损量和载荷成正比关系，当载荷较小时，只有少数微凸体和摩擦副相互接触发生粘着塑性变形，磨损的实际接触表面较小，因此在低载荷下涂层磨损量较小；随着载荷不断地增大，实际接触面积增大，整个面积发生塑性变形，导致磨损急剧增大，磨损量增加，如图2-32所示。

图2-33是在不同载荷下Ni-Fe-B-Si-Nb重熔涂层的磨损系数曲线。由图2-33可以看出，摩擦过程分为3个阶段：第一阶段为“跑合”阶段，摩擦系数随磨损时间增加而迅速增加；第二阶段为过渡阶段，摩擦系数随磨损时间增加而缓慢降低；第三阶段为稳定磨损阶段，摩擦系数基本保持稳定［98］。可以看出，摩擦系数随着载荷的增加而减小。当载荷增加时会导致在涂层和摩擦副接触的部位出现熔微观涂层的熔化行为，起到润滑的作用，从而降低了摩擦系数。

图2-33 Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层在不同载荷下的摩擦系数曲线

图2-34为在摩擦时间为60min、转速为400r/min时不同载荷条件下激光重熔涂层（重熔时激光功率密度为53000W/cm2，扫描速度为8m/min）经摩擦磨损试验后所得的磨痕形貌。由图2-34可以看出，磨痕形貌在单个试样表面比较一致，说明激光重熔后涂层的组织和性能分布均匀。并且，所有涂层的磨损形貌都表现为犁沟的磨粒磨损特征，没有裂纹或剥落坑等现象出现，表明非晶复合涂层具有较强的耐磨损性能。同时还可发现，随着载荷的增加，在高载荷下涂层表面的犁沟要比低载荷时宽而深，说明涂层在高载荷下发生了更为严重的磨损行为，材料去除现象严重，因此涂层在高载荷条件下磨损量较大。

图2-34 不同载荷条件下Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层的磨损形貌

（a）75N （b）100N （c）125N （d）150N

图2-35为在摩擦时间为60min、转速为400r/min以及载荷为100N时，熔覆层经不同重熔扫描速度所获得重熔涂层的摩擦失重对比。由图2-35可发现，未经重熔的熔覆层的失重最多。随着重熔扫描速度的增加，涂层的失重不断减少，说明涂层的耐磨性能得到提高。另外，发现大块非晶的失重与扫描速度为6m/min所得重熔涂层的失重相当，扫描速度为7m/min和8m/min时，其失重小于大块非晶。

图2-35 激光熔覆涂层、重熔涂层及大块非晶的磨损失重

图2-36为在摩擦时间为60min、转速为400r/min、载荷为100N时，激光重熔扫描速度不同所获得激光重熔涂层经摩擦磨损试验后的磨痕形貌。由图2-36可以看出，当激光重熔扫描速度为4m/min时，重熔层内基本无非晶组织，此时材料经摩擦后所获得的磨痕深而宽。当激光重熔速度大于6m/min时，随着磨痕逐渐变得浅而细。说明随激光重熔速度的增加（非晶含量也随之增加），激光重熔涂层的耐磨性得到提高。这和图2-34所得的失重结果是统一的。

图2-36 不同重熔速度所得激光重熔涂层的磨损形貌

（a）4m/min （b）6m/min （c）7m/min （d）8m/min

图2-37为激光重熔涂层及大块非晶在摩擦时间为60min、转速为400r/min以及载荷为150N摩擦磨损试验后所获得的表面磨损形貌。可见激光重熔涂层的磨损形貌主要表现为犁沟，而在大块非晶已在部分区域产生了剥离现象。这主要是由于非晶合金没有晶界，所以块体非晶合金不存在应变强化现象，而体现为应变软化，一旦变形集中于少数剪切带，应变软化使剪切带迅速扩展形成裂纹，导致灾难性断裂［99］。可以看出获得的Ni-Fe-B-Si-Nb非晶复合涂层由于晶体相的存在，可使得在摩擦磨损过程中存在塑性积累过程，因此具有更好的耐磨性能。

图2-37 激光重熔涂层及大块非晶表面磨损形貌

（a）激光重熔涂层 （b）大块非晶

现代摩擦学理论认为，除涂层的硬度以外，还存在和其一样能决定其耐磨性能的重要参数。例如，参数H/E（称为“弹性指数”，相当于破坏前的弹性应变）及H3/E*2（相当于抵抗塑性变形的能力）比单一的硬度性能更能反映其在滑动摩擦中耐磨性能，E*为通过纳米压痕技术测得的材料的有效弹性模量（E*=E/（1-ν2），其中，ν为泊松比）［100-102］。图238为采用表25中数据经计算所得H/E和H3/E*2值。在图238中，随重熔扫描速度的增加，H/E值呈现减少的趋势，而实际涂层随重熔时激光扫描速度的增加，耐磨性得到了提高。说明涂层的H/E比值（仅考虑弹性应变）不能体现本节研究中所得涂层耐磨性的规律。而在图2-38（b）中H3/E*2值随激光重熔扫描速度的增加，该比值不断增加，体现了耐磨性的变化规律。同时大块非晶的H3/E*2值和重熔速度为6m/min时的重熔层H3/E*2值相当。而图2-35中的摩擦磨损试验结果也表明，该大块非晶的耐磨性能和重熔速度为6m/min时的重熔层耐磨性能相当。因此，可以认为在本实验条件下，所获得的Ni-Fe-B-Si-Nb激光熔覆涂层、激光重熔涂层（非晶复合涂层）以及大块非晶，H3/E*2比值能体现对耐磨性的影响，随H3/E*2比值的增加，耐磨性得到提高。

图2-38 激光熔覆层、重熔涂层及大块非晶的比较

（a）H/E （b）H3/E*2

涂层表面抵抗塑性变形的能力，也就是其屈服应力和其H3/E2之间呈正比是由于在刚性球接触弹塑性材料表面时其屈服应力为［103］

式中：r为刚性球的半径。可以发现，当涂层具有一个低的弹性模量时会有利于将载荷分布在相对更大的面积上，从而降低接触应力峰值，延迟涂层可能产生的破坏。因此这和滑动接触摩擦时的情况类似，当弹性模量降低时，相当于降低了载荷水平，使得在同样摩擦条件下，其摩擦失重降低。因此，在本研究中具有最高H3/E*2比值的非晶复合涂层体现出最佳的耐磨损性能。