工况参数对类金刚石膜摩擦学性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室 作者:曾群锋

  采用非平衡磁控溅射技术在高速钢基体上以C2H2为反应气源制备了含氢类金刚石(DLC)膜。使用激光拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪和原子力显微镜分析和观察了DLC膜的微观结构及表面形貌, 结果表明:DLC膜表面由纳米级别的圆形颗粒堆积而成,其结构呈现出DLC的典型Raman光谱特征,薄膜中的碳元素主要以sp2C 键、sp3C键和C-O键的形式存在。以GCr15钢球为摩擦配副, 在球盘式摩擦磨损试验机上考察了DLC膜在大气干摩擦条件下的摩擦学性能。

  实验结果发现: 在摩擦初始阶段,DLC膜的摩擦系数从实验开始到达峰值的时间随着载荷和速度的增大都是减少的; 而在摩擦稳定阶段,DLC膜的平均摩擦系数随着载荷和速度的增大先减小后增大;速度对DLC膜摩擦系数的影响比载荷更加显著。用扫描电子显微镜观察了磨痕形貌并分析了磨损机理:DLC膜的磨损特征主要为以犁沟现象为主的粘着磨损。随着速度的增加,磨痕表面犁沟现象变弱;而随着载荷的增加,磨损表面的犁沟现象变明显。

  类金刚石(DLC)膜是一种具有高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、电绝缘性和良好的生物相容性等优良性能的非晶碳膜,在机械、电子和生物等领域得到了广泛的应用。目前,DLC膜的制备方法主要有磁控溅射、真空蒸发和等离子体化学气相沉积等。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)研究发现不同制备方法所采用的装置和工艺不同,制备的DLC膜的成分和结构差别很大,从而造成DLC膜的性能也存在着很大的差别。

  非平衡磁控溅射是在磁控溅射的基础上发展起来的一种制备薄膜的技术,已经广泛应用于半导体、材料和光学等领域。与磁控溅射相比,它改变了位于靶材背面的磁场强度, 在沉积区域内形成了不平衡磁场, 具有溅射速度快、容易获得均匀的高精度膜厚、膜层致密和附着性好等优点,可以制备性能良好的DLC膜。本文采用非平衡磁控溅射的方法,以乙炔和氩气为工作气体,在高速钢基体上制备了含氢DLC膜。利用原子力显微镜(AFM)分析了薄膜的表面形貌。通过拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)表征了制备所得薄膜的微观结构。最后, 考察了在不同载荷和速度下DLC 膜干摩擦条件下的摩擦学性能, 用扫描电子显微镜(SEM)观察了磨痕形貌并分析了其磨损机理。

1、实验方法

1.1、薄膜的制备

  基体为高速钢(W6Mo5Cr4V2), 其洛氏硬度HRC为60~62。直径为30mm,厚度5mm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0.03~0.04um。非平衡磁控溅射所用的靶材为高纯度钨(纯度99.99%),99.9%的高纯度氩气作为保护气体。实验时,基体经在含有5% 金属清洗剂的去离子水超声波清洗45min,干燥后置于真空室内可旋转的试样架上。待真空室抽真空度至3.3×10-3Pa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20min。最后采用C2H2和Ar为工作气体,在基体上制备厚度约为2um的DLC膜。详细的实验过程可参考文献,本文实验参数见表1。

表1 制备DLC薄膜的试验参数

制备DLC薄膜的试验参数

1.2、薄膜的结构和性能表征

  采用Innova型AFM观察薄膜的表面形貌,扫描范围为10um×10um;用LabRAM HR800型激光Raman光谱仪和ESCALAB MKII型能谱仪分析DLC膜的结构。用UMT-II摩擦磨损试验机测试薄膜的摩擦磨损性能, 摩擦副采用直径为9.5mm的GCr15钢球, 运动方式为球-盘式,干摩擦,环境温度为20~25℃,相对湿度(RH)为55%~60%。用JSM-6700F型扫描式SEM观察DLC膜表面磨痕形貌。

结论

  以C2H2为碳源,Ar为辅助气体,采用非平衡磁控溅射技术在高速钢表面制备了DLC膜,通过对薄膜进行各种实验测试,得到以下结论:

  (1) DLC膜表面由纳米级别的圆形颗粒堆积而成,表面光滑致密; Raman分析表明薄膜结构具备DLC膜的典型特征;XPS分析表明DLC膜中的碳元素主要以sp2C键、sp3C键和C-O键的形式存在。

  (2) 在摩擦初始阶段,DLC膜的摩擦系数出现了峰值;DLC膜的摩擦系数到达峰值的时间随着载荷和速度的增大都是减少的;而在摩擦稳定阶段,DLC膜的平均摩擦系数随着载荷和速度的增大先减小后增大;速度对DLC膜摩擦系数的影响比载荷更加显著。

  (3) DLC膜磨痕表面SEM观察分析表明,DLC膜的磨损特征主要为以犁沟现象为主的粘着磨损。DLC膜具有较好的耐磨性,在较低的速度下,磨痕表面存在着犁沟,随速度的增加,磨痕表面犁沟现象变弱而较光滑;而随载荷的增加,磨损表面的犁沟现象变明显。

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