鋁合金表面磁控濺射類石墨鍍層組織與性能研究

郭巧琴， 李建平， 郭永春

(西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，陜西西安 710021)

引 言

鋁及其合金具有密度小、延展性好、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，在汽車、船舶、機(jī)械、航空和航天工業(yè)已大量應(yīng)用。但其缺點(diǎn)是較軟、摩擦系數(shù)較高，導(dǎo)致其耐摩擦磨損性能差，應(yīng)用受到了限制［1-2］。為了克服鋁合金的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)其使用壽命，采用表面改性技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改性尤為重要。非平衡磁控濺射技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新的表面處理技術(shù)，它可以在微米甚至納米尺度上進(jìn)行多元成分摻雜，且組織均勻、致密。類石墨鍍層(GLC鍍層)是一種新型碳膜，具有高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的耐磨性等性能［3-4］。本文采用非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)在鋁合金表面制備GLC鍍層，研究基體偏壓對(duì)鋁合金組織與性能的影響，為其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

選用AlZn4.5Mg鋁合金，其主要成分為4.5%Zn，1.5%Mg，0.32%Si，余 量 Al，試 樣 規(guī) 格 為Φ40mm×5mm。

采用UDP450非平衡磁控濺射鍍膜設(shè)備(如圖1所示)制備類石墨鍍層，設(shè)備真空室內(nèi)徑 d為425mm，實(shí)驗(yàn)中采用2個(gè)碳靶、2個(gè)鉻靶四靶配置。

圖1 UDP450設(shè)備原理圖

鍍前將試樣進(jìn)行預(yù)磨和拋光處理，然后用乙醇和丙酮超聲波清洗10min，經(jīng)冷風(fēng)吹干后放入真空室。分別通過(guò)調(diào)整基體偏壓為 －60、－90及－120V，進(jìn)行鍍膜處理。

采用SPI3800-SPA-400型原子力顯微鏡(AFM)觀察鍍層表面的三維形貌及測(cè)試粗糙度。應(yīng)用WS-2005涂層劃痕附著力測(cè)試儀對(duì)鍍層的臨界載荷進(jìn)行測(cè)試，最大加載為50N，加載速度是10N/min。鍍層硬度測(cè)試采用HVS-1000維氏顯微硬度計(jì)，其測(cè)試條件載荷為0.25N，保壓15s。采用自制銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)鍍層的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，所用摩擦副為GCr15鋼球，d為5mm，轉(zhuǎn)盤d為43mm，轉(zhuǎn)盤線速度為200mm/s，載荷為40N。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍層形貌及粗糙度

采用原子力顯微鏡對(duì)GLC鍍層的表面三維形貌和粗糙度進(jìn)行觀察和測(cè)試，其結(jié)果如圖2及圖3所示。

圖2 不同偏壓下鍍層表面AFM三維形貌

圖3 不同偏壓下鍍層表面粗糙度曲線

由圖2可知，在不同基體負(fù)偏壓時(shí)鍍層以島狀方式生長(zhǎng)。隨偏壓值的增大，島狀尺寸和鍍層晶粒均減小，表面更加光滑平整。由圖3可知，隨著基體負(fù)偏壓值增大，鍍層表面粗糙度逐漸減小。當(dāng)基體偏壓值為0V時(shí)，Ra=20.56nm，當(dāng)基體偏壓值增加到－120V時(shí)，Ra=5.46nm，說(shuō)明隨著基體負(fù)偏壓值增大，鍍層表面的粗糙度逐漸減小。這是由于隨基體負(fù)偏壓值的增加，薄膜生長(zhǎng)過(guò)程隨之減弱，從而導(dǎo)致鍍層表面粗糙度降低［5］;另外，隨基體負(fù)偏壓增大，電場(chǎng)中離化后的離子受到的作用力增加，從而獲得較大的動(dòng)能，離子轟擊后靶材產(chǎn)生的原子或離子的初動(dòng)能增加，當(dāng)濺射到基片時(shí)原子的擴(kuò)散能力提高，原子易于擴(kuò)散至鍍層較低位置處，從而降低鍍層表面粗糙度［6］。

2.2 臨界載荷測(cè)試

圖4是由劃痕附著力測(cè)試儀測(cè)試的鍍層臨界載荷曲線。由圖4可知，當(dāng)基體偏壓為0V時(shí)，鍍層膜基臨界載荷為12N，當(dāng)基體偏壓增大到－120V時(shí)，鍍層的膜基臨界載荷增大到42N。說(shuō)明隨基體負(fù)偏壓增大，鍍層膜基臨界載荷逐漸增大。施加于基體上的偏壓越大，轟擊離子的能量越高，離子運(yùn)動(dòng)的速率也越大，從而可濺射掉薄膜生長(zhǎng)表面上結(jié)合較為疏松的原子并以能量傳遞的方式對(duì)薄膜內(nèi)部原子進(jìn)行轟擊。當(dāng)偏壓值繼續(xù)增大時(shí)，薄膜的致密性增強(qiáng)，導(dǎo)致結(jié)合力逐漸增大［7］。

圖4 不同偏壓下鍍層臨界載荷曲線

2.3 鍍層硬度測(cè)試

不同偏壓下制備的GLC鍍層硬度如圖5所示。

圖5 不同偏壓時(shí)鍍層硬度曲線

由圖5可知，當(dāng)基體偏壓為0V時(shí)，鍍層的硬度為130HV，隨基體偏壓增加至－120V時(shí)，鍍層的硬度為235HV。由此可見，隨基體負(fù)偏壓增加，鍍層硬度逐漸增加。偏壓的作用可以吸引高能離子轟擊鍍層表面，從而使鍍層更加致密。碳原子被高能氬離子從靶材上濺出以后，依賴荷能離子轉(zhuǎn)移的能量在真空室中運(yùn)動(dòng)，有的直接沉積到基體表面上，部分原子在真空腔中被電離成離子，這些被電離的靶材離子在偏壓作用下，一邊沉積，一邊轟擊鍍層表面和基體［8-9］;另外，偏壓還吸引部分荷能氬離子對(duì)鍍層進(jìn)行轟擊，這樣在轟擊的作用下，部分和基體結(jié)合不牢固的原子就會(huì)被濺射出去，同時(shí)由于偏壓的作用，使得靶材離子具備足夠高的能量在鍍層的表面遷移，增強(qiáng)了基體表面的成膜能力，減少了鍍層的微觀孔隙率，進(jìn)而提高了鍍層的致密度;在一定范圍內(nèi)偏壓越大，轟擊能量就越大，鍍層就越致密，從而增大了鍍層的硬度［10］。

2.4 鍍層摩擦系數(shù)及磨痕形貌

圖6為銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試的鍍層摩擦系數(shù)曲線。圖7為摩擦系數(shù)測(cè)試后鍍層表面的金相顯微形貌。

圖6 不同偏壓下鍍層的摩擦系數(shù)曲線

圖7 不同偏壓下鍍層的磨痕形貌

從圖6可知，對(duì)于純基體，未施加基片負(fù)偏壓時(shí)，鍍層的摩擦系數(shù)約為0.35。當(dāng)施加基體偏壓－60V時(shí)，鍍層摩擦系數(shù)為0.30，隨基體偏壓繼續(xù)增加至－120V時(shí)，鍍層摩擦系數(shù)降低至0.19。說(shuō)明鋁合金表面施鍍類石墨鍍層可以降低鋁合金的摩擦系數(shù)，且隨基體負(fù)偏壓的增加，其摩擦系數(shù)逐漸減小。這是由于在基體負(fù)偏壓的作用下，鍍層在生長(zhǎng)過(guò)程中受到高能粒子的轟擊，可以更好地使靶材粒子直接沖擊基體，更好地使基體表面的原子活化，提高基體表面原子的活化率，從而提高了膜層與基體的結(jié)合力和硬度，因此，鍍層的摩擦系數(shù)減小［11-13］。

由圖7可知，基體未施加偏壓時(shí)，經(jīng)磨損試驗(yàn)后，鍍層大部分區(qū)域磨損嚴(yán)重，形成明顯溝槽，且表面有大量黏著物。這是因?yàn)榛w與GCr15鋼球之間的摩擦力較大，磨損過(guò)程中形成的磨屑，容易黏附在鍍層表面形成黏附物，在切向摩擦力的長(zhǎng)期作用下鍍層上有的區(qū)域發(fā)生疲勞剝落而留下凹坑，說(shuō)明鋁合金基體的磨損機(jī)理主要為黏著磨損和磨粒磨損。當(dāng)基體施加－60V偏壓后，鍍層的磨痕變窄，犁溝變淺，但是表面有較多粘著物。說(shuō)明鍍層磨損機(jī)理主要為粘著磨損為主。隨基體偏壓繼續(xù)增大至－120V時(shí)，鍍層的磨痕繼續(xù)變窄，變淺，磨損機(jī)制主要以磨粒磨損為主。

3 結(jié)論

1)基體偏壓在－60～－120V范圍內(nèi)，類石墨鍍層均以島狀方式生長(zhǎng)。且隨著偏壓值的增大，島狀尺寸減小，鍍層晶粒減小，粗糙度減小。

2)基體偏壓在－60～－120V范圍內(nèi)，隨基體負(fù)偏壓增大，鍍層膜基臨界載荷逐漸增大。當(dāng)基體偏壓為－120V時(shí)，鍍層的膜基臨界載荷最大為42N。

3)基體偏壓在－60～－120V范圍內(nèi)，隨基體負(fù)偏壓增大，鍍層摩擦系數(shù)減小，當(dāng)基體偏壓為－120V時(shí)，鍍層摩擦系數(shù)最低為0.19，其磨損機(jī)制由磨粒磨損和粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。

［1］ 張高會(huì)，黃國(guó)青，徐鵬，等.鋁及鋁合金表面處理研究進(jìn)展［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，21(2):174-178.

［2］ 郭巧琴，蔣百靈，李建平.本底真空度對(duì)非平衡磁控濺射C/Cr復(fù)合鍍層性能的影響［J］.功能材料，2012，40(10):1750-1753.

［3］ 李偉力，鄭曉航.偏壓對(duì)直流磁控濺射Fe-N薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響［J］.材料科學(xué)與工程，2008，16(6):773-775.

［4］ 劉靜安，謝水生.鋁合金材料的應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004:356-562.

［5］ 高玉周.耐磨梯度表面層的制備及其滑動(dòng)摩擦學(xué)特性的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2000:93.

［6］ 黃鶴.離子束輔助沉積類石墨碳膜和BXO膜的結(jié)構(gòu)及其摩擦學(xué)性能的研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2003:10-12.

［7］ 郭巧琴，蔣百靈，李建平，等.基體偏壓對(duì)磁控濺射Al-Sn20/C鍍層組織形貌與性能的影響［J］.特種鑄造及有色和金，2011，31(4):308-310.

［8］ 牟宗信，關(guān)秉羽，李國(guó)卿，等.非平衡磁控濺射中調(diào)制磁場(chǎng)的作用［J］.真空，2002，(3):27-29.

［9］ Teer D G.Magnetron sputter ion plating:U.S.Patent 5，556，519［P］.1996-09-17.

［10］ Teer D G.Newsolid lubricant coatings［J］.Wear，2001，251:1068-1074.

［11］ BugaevU S P，Podkovyrov V G，Oskomov K V，et al.Ionassisted pulsed magnetron sputtering deposition of Ta-C films［J］.Thin Solid Films，2001，89:16-26.

［12］ 郭巧琴，蔣百靈，李建平.靶電流對(duì)AlSn20/C鍍層耐蝕性的影響［J］，中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012，2(8):2289-2294.

［13］ Yang S，Camino D，Jones A H S，et al.Deposition and tribological behavior of sputtered carbon hard coating［J］.Surface and coating technology，2000，124:110-116.