封闭磁场非平衡磁控溅射偏压对CrN镀层摩擦学性能影响(2)

2010-02-26 徐雪波 宁波工程学院材料科学与工程研究所

2.3、镀层摩擦学性能随偏压的变化规律

  镀层的摩擦系数随偏压也呈现了明显的规律性。图3、4 表明偏压升高稳定摩擦阶段的摩擦系数下降。但从图4 的不同阶段摩擦系数变化发现,偏压达到80V 时,摩擦开始阶段出现了明显的一个不稳定过程,而偏压70V 及以下条件下制备的镀层均呈现为摩擦系数从小到大的逐渐变化直到稳定的趋势。镀层的摩擦系数随偏压也呈现了明显的规律性。摩擦系数随偏压的这种变化规律最终并没有体现在镀层的耐磨性上,如图3 的比磨损率曲线变化和图5 的磨损形貌照片所示,偏压- 40V~ - 70V 间沉积的镀层均无明显的磨损,而- 80V 偏压时磨损突然加剧。

偏压对CrN 镀层摩擦系数和比磨损率的影响 不同偏压CrN镀层的摩擦系数曲线

图3  偏压对CrN 镀层摩擦系数和比磨损率的影响  图4  不同偏压CrN 镀层的摩擦系数曲线

不同偏压CrN 镀层磨损轨迹形貌 

图5  不同偏压CrN 镀层磨损轨迹形貌

2.4、偏压对CrN镀层显微硬度和韧性的影响

  镀层的硬度和韧性随偏压的变化也呈现出不一致的规律。图6 的结果表明偏压提高有助于镀层硬度的提高,这与前人的研究结果类似,但有趣的是用压入法表征的镀层四角裂纹长度呈下降趋势,表明升高偏压同样有助于镀层韧性的提高。

偏压对镀层硬度和韧性的影响

图6  偏压对镀层硬度和韧性的影响

3、讨论

  根据磁控溅射离子镀的基本原理,靶材上溅射出来的原子、离子等由于偏压的作用及其离子本身的动能不断运动到基体表面,在其表面聚集、形核并长大,宏观上表现为膜厚不断增加。但溅射粒子对镀层表面的轰击,也会使已沉积的原子被再次溅射回气氛中,使得沉积速率下降,实际膜层的生长是一个边生长边被溅射的动态过程。因此虽然基体表面的离子束流随偏压的增加而提高了,但是偏压较低时溅射粒子对镀层表面轰击强度较弱,所以沉积速率整体呈下降趋势, -50V~ -70V 偏压间因沉积和二次溅射之间达到了动态平衡,沉积速率相对稳定,当偏压继续升高到- 80V 时,由于攻击能量的增加使沉积速率明显下降。高偏压下镀层硬度的提高主要贡献来自于偏压引起的离子轰击能量增加,高能量离子轰击抑制了柱状晶的生长,随着能量提高逐渐向等轴晶变化并使CrN 薄膜致密化。同时随着致密度的增加,有利于抑制裂纹扩展,陶瓷材料也通过减少气孔率和增加相对密度来提高韧性 ,因此镀层晶粒尺寸减小和致密度提高也是韧性改善的重要原因。

  镀层结合强度随着偏压的提高而降低,这是由于高偏压使镀层硬度和内应力增加,虽然闭合磁场非平衡磁控溅射沉积技术通过约束磁场而提高了离化率,以及将等离子体场引到基体表面而大大提高了溅射离子束流,但是在承受金刚石锥体划擦载荷作用时还是可能发生界面剥落。

  有趣的是偏压的提高反而引起了镀层摩擦系数的下降。从摩擦学的基本原理看,滑动摩擦系数是摩擦副系统的综合特性,受摩擦副材料配对性质、法向载荷的大小和加载速度、摩擦副的刚性和弹性、滑动速度、温度、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质,以及环境介质的化学作用等多种因素的影响。就本实验条件下,被研究的试样中可能有较大区别的因素为镀层的表面状态,试验结果表明,加大偏压使得镀层致密度提高,也可能同时引起表面更加光滑,因而引起摩擦系数降低。从摩擦磨损理论看,降低摩擦系数与提高材料硬度一样有利于减小磨损,最终有利于提高镀层工件的使用寿命。但偏压过高可能引起的镀层内应力的升高,从而降低结合强度,以及在较高外载荷作用下可能产生的镀层突然破裂,最终引起镀层耐磨性严重下降。

4、结论

  应用封闭磁场非平衡磁控溅射离子镀技术,在不同偏压条件下制备了CrN 镀层。结果发现溅射偏压对镀层的沉积速率、膜基结合强度、硬度和韧性以及摩擦学性能影响显著。偏压提高使得沉积速率、结合强度和摩擦系数下降,但硬度和韧性提高。高偏压下制备的镀层结构致密、硬度和韧性俱佳,以及较低的摩擦系数使得镀层耐磨性也较好,但过高的偏压也可能带来镀层内应力升高,在磨损试验过程中会引起镀层的突然破裂,使耐磨性急剧下降。因此磁控溅射沉积CrN 镀层时,需从性能要求出发,根据镀层使用条件给出最优沉积工艺参数。