Si3N4球/DLC膜摩擦副在真空环境下的摩擦学行为研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学 作者:曾群锋

  采用非平衡磁控溅射技术在高速钢基体上制备了类金刚石( DLC) 膜。采用球盘式摩擦磨损试验机考察了DLC 膜在大气和真空环境干摩擦条件下的摩擦学性能,并比较分析了GCr15 钢球和Si3N4球不同摩擦配副对DLC 膜的摩擦学性能。采用光学显微镜及扫描电镜观察了摩擦副的磨损表面形貌。研究结果表明: 由于转移膜的形成Si3N4球/DLC 膜摩擦副在大气下具有良好的摩擦学性能; 而在真空条件下摩擦副易发生明显的粘着磨损,使摩擦系数、磨斑增加,磨损表面上存在着较多的片状磨屑和微米级颗粒。

  随着航空、航天等高技术领域的进步和发展,迫切需要解决极端条件( 如高真空、高温等) 下关键零部件如滚动轴承的润滑问题。航空发动机用滚动轴承性能的好坏直接影响到轴系的运转状态,进而影响到发动机的性能。因氮化硅具有良好的抗氧化性、低密度、低热膨胀系数、较高的强度以及很好的耐热冲击性等,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为正是因为这些特性,使其在高速滚动轴承中得到了广泛地使用,但有关其摩擦学性能的研究较少,尤其是在真空环境下的摩擦学行为。

  润滑技术是保证空间运载工具和飞行器安全可靠运行的关键技术之一。由于关键零部件的摩擦副在真空环境下粘着倾向增强,摩擦热效应增大,摩擦振动加剧,应采用固体润滑膜防止金属间的直接接触。类金刚石( Diamond like Carbon,DLC) 膜以其优良的摩擦学性能极大地引了人们的研究兴趣。DLC 膜是一种具有高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、高化学稳定性,尤其是具有良好力学和摩擦学性能的非晶碳膜,在机械、电子和生物等领域得到了广泛的应用。DLC膜在大气环境下具有优异的摩擦学性能,但在真空环境下其摩擦学行为研究不多,这限制了DLC 膜在真空环境下的工程应用。真空环境下由于摩擦热难以扩散以及缺乏氧气和水分等,DLC 膜往往表现出与大气环境下不同的摩擦学性能。因此,研究DLC 膜在真空环境下的摩擦学性能,探索其摩擦磨损规律,为积累和完善航空航天材料摩擦学性能的基础数据以及促进DLC 膜作为固体润滑膜在真空环境下的应用,迫切需要研究其真空摩擦学性能,本文研究了真空环境下DLC 膜与Si3N4摩擦副的摩擦学行为,分析探讨DLC 膜摩擦副在真空环境下的摩擦磨损机理,为DLC 膜在真空环境下的应用提供理论依据,这对我国空间润滑及航空航天事业的发展具有重要意义。

1、薄膜制备及实验方法

1.1、 DLC 膜的制备

  DLC 膜的摩擦磨损特性和基体的性质密切相关。基体为高速钢,其洛氏硬度为60 ~62 HRC。直径30 mm,厚度5 mm 的圆盘试样经过打磨、粗抛和精抛等一系列预处理后,其表面粗糙度Ra 为0.02 ~0.03 μm。抛光后的基体表面存在油污灰尘等杂质,将基体放在丙酮中超声波清洗15 min,用去离子水清洗后,放在无水乙醇中清洗15 min,最后用去离子水清洗干净后立即用电吹风将基体表面吹干,干燥后置于真空室内可旋转的试样架上。

  采用非平衡磁控溅射技术,以乙炔和氩气为工作气体,在基体上制备了含氢DLC 膜。靶材为高纯度石墨( 纯度99.99%) ,氩气( 纯度99.9%) 作为保护气体。真空室抽真空度至3.3 × 10-3 Pa 时,利用离化的氩离子对工件表面进行溅射轰击,使其露出新鲜表面,溅射时间为20 min。最后采用纯度均为99.99%的C2H2和Ar 为工作气体,在基体上制备出厚度约为2 μm 的DLC 膜。在沉积DLC 膜之前,在基体上沉积一层过渡层,以提高薄膜和基体之间的结合强度,本文以W/WC 涂层作为过渡层。制备DLC 膜的相关参数为:真空室压强为0.32 Pa,Ar 和C2H2流量分别为50 和130 mL /min( 标准状态) ,负偏压为120 V,靶功率为1.1 kW,沉积时间为6 h。详细制备过程及DLC 膜的表面形貌及其微观结构可参考文献,实验参数如表1 所示。

表1 制备DLC 膜的试验参数

制备DLC 膜的试验参数

1.2、DLC 膜的性能表征

  采用UMT-Ⅱ摩擦磨损试验机测试DLC 膜的摩擦磨损性能,摩擦配副分别为直径9.5 mm 的GCr15钢球和Si3N4球,运动方式为球-盘式,干摩擦工况,环境温度为20 ~25℃,相对湿度为55% ~60% RH,载荷10 N,速度0.05 m/s,实验时间为3600 s。真空摩擦实验条件: 真空度为2. 2 × 10 - 4 Pa。采用数显显微维氏硬度计测试DLC 膜的硬度( TMVS-1,北京时代之峰科技有限公司) 。采用JSM-6700F 型扫描式电子显微镜( SEM) 观察摩擦配副球和DLC 膜表面磨痕微观形貌。

3、结论

  (1) DLC 膜具有较高的硬度,约为2904 HV;DLC 膜与基体具有较好结合性能。

  (2) 大气条件下,DLC 膜与Si3N4球对磨时摩擦系数一直呈减小的趋势,数值比与GCr15 球对磨时小,且摩擦过程比较稳定,这与Si3N4球的高硬度以及GCr15 球在摩擦过程中发生的摩擦化学反应相关。

  (3) 真空环境下,DLC 膜在摩擦稳定阶段的摩擦系数高于大气下的摩擦系数。DLC 膜在与GCr15球、Si3N4球对磨时表现出相同的变化规律。DLC 膜摩擦副的磨损形式主要为粘着磨损。

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