磁控濺射沉積不同摻雜非晶碳膜的摩擦學特性研究

鄒春生，李迎春，邱明，程蓓，周占生

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

非晶碳膜因具有高硬度和優異的減摩耐磨性能，應用于刀具、模具、航空航天、電子、光學等領域[1-2]。對于長期服役的運動件，要求固體潤滑膜不僅需具備減摩抗磨能力，還需滿足長壽命、可靠性的使用要求以及特殊工況下的應急要求。例如國內發動機型號規范中潤滑油中斷的時間規定為30 s，飛機在飛行過程中遇到特殊情況需改變當前的飛行姿態，調整為一些特殊姿態飛行(如俯沖、橫滾等)，導致發動機內部處于乏油環境中，而高速運轉的零部件(如軸承、齒輪等)在潤滑不充分的條件下極易被破環[3]。為了提高非晶碳膜在特殊工況下的服役性能，國內外學者一直在對非晶碳膜的合成及其應用進行研究[4-5]，結果表明，摻雜化學元素是一種提高非晶薄膜性能的有效手段[6-7]。

現采用磁控濺射技術，制備無摻雜及摻雜Cr，WC的3種非晶碳膜，探究其在乏油條件下的摩擦學性能。

1 性能試驗

1.1 樣品制備

基底選用P(100)型單晶硅片用于薄膜的微觀形貌觀察及物相分析；基底選用GCr15軸承鋼(φ30 mm×7.9 mm)用于薄膜的摩擦學性能測試。采用英國Teer公司的UDP-650磁控濺射設備制備無摻雜及摻雜Cr，WC的3種非晶碳膜(分別用a-C，a-C/Cr，a-C/WC表示)。該沉積系統具有4個對稱放置的濺射靶,2個對稱放置的石墨靶,1個WC靶和1個Cr靶，所有靶材的純度均大于99.9%。樣品在沉積薄膜前依次放入丙酮和無水乙醇中超聲清洗15 min，然后裝入樣品架。當真空腔的真空度抽至1.0×10-3Pa時，通入Ar氣，并施加-500 V偏壓，利用輝光放電清洗樣品表面，除去樣品表面的氧化物及其他污染物；然后調整偏壓至-70 V，調節Cr靶電流為3.0 A，在基體表面沉積厚約0.3 μm的Cr過渡層，以提高薄膜與基體間的結合強度；最后根據需要制備的薄膜選擇打開或關閉濺射靶。具體鍍膜工藝參數見表1。

表1 薄膜制備工藝參數Tab.1 Process parameters for preparation of thin films

1.2 試驗設備及方法

采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜的斷面形貌。

采用D8ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)對薄膜進行物相分析,選用Cu靶Kα為射線源，設置步長為0.02°，掃描速率為6 °/min，管壓為40 kV，管流為40 mA。

采用MFT-4000多功能材料表面性能測試儀測定薄膜與基體的臨界破壞載荷，加載范圍0～70 N,線性加載，加載速度1 000 N/min,劃痕長度15 mm,以Lc評價薄膜與基體的結合力，并用LSM800型激光共聚焦顯微鏡觀察分析磨痕形貌。

采用HSR-2M型高速摩擦磨損試驗機測試薄膜的摩擦學性能，接觸方式采用球-盤式，對偶件選擇高精度直徑為6 mm的GCr15鋼球，軸向載荷為30 N，往復長度為5 mm，滑動速度分別為50，200 mm/s，環境溫度為20～25 C°。試驗前，通過注射器每次移取2 mL的JET美孚Ⅱ號航空潤滑油至薄膜表面，涂抹均勻后用橡膠片刮去多余的潤滑油，人為制造乏油環境[8]，進行摩擦磨損試驗。

采用精密傳感器采集摩擦副相對運動的摩擦力與正壓力，則摩擦因數為[9]

(1)

式中：Ft為摩擦力，N；Fa為軸向載荷，N。

采用LSM800型激光共聚焦顯微鏡測量磨痕的截面輪廓，磨損率為[10]

(2)

式中：W為磨損率，m3/(N·m)；S為截面輪廓面積，m2；l為往復長度，m；L為磨損行程，m。

2 結果與討論

2.1 薄膜的截面形貌和物相分析

3種薄膜截面的SEM照片如圖1所示，3種薄膜均選用Cr過渡。由圖可知，a-C，a-C/Cr薄膜均為致密的無定形結構(圖1a、圖1b)，表明Cr摻雜并未改變薄膜的致密結構；a-C/WC薄膜存在明顯的柱狀結構(圖1c)，導致薄膜表面的生長出現了擇優取向，使其沿著原有的柱狀結構頂部繼續以垂直于基底表面的方向生長。

圖1 薄膜截面的SEM照片Fig.1 SEM micrographs of cross section of thin films

3種薄膜的XRD圖譜如圖2所示(縱坐標a.u.表示任意單位,下同)。由圖可知，a-C薄膜與a-C/Cr薄膜在低角度15°～30°之間出現了饅頭峰，表明薄膜中的C處于非晶形態[11],從衍射峰可以看出，薄膜中存在過渡層金屬碳化物、過渡層金屬Cr及基底Si的晶體；a-C/WC薄膜中除了出現Cr的衍射峰外，并未出現其他物相的衍射峰，表明該薄膜中C處于非晶形態，WC的摻雜致使薄膜產生的柱狀結構干擾了金屬碳化物的形成。

圖2 薄膜的XRD圖譜Fig.2 XRD spectrum of thin films

2.2 薄膜的結合強度

3種薄膜劃痕測試聲發射信號隨加載力的變化曲線如圖3所示。由圖可知，a-C薄膜與基體的臨界破壞載荷為64.13 N，Cr的摻雜增大了薄膜與基體的臨界破壞載荷，達到66.08 N；WC的摻雜減小了薄膜與基體的臨界破壞載荷，僅為44.49 N，這是由于a-C/WC薄膜柱狀結構會引起內部團簇之間的間隙較大，導致薄膜的臨界破壞載荷下降。

圖3 薄膜劃痕測試聲發射信號隨加載力的變化曲線Fig.3 Variation curves of acoustic emission signal for scratch test of thin films with load

2.3 薄膜的摩擦磨損性能

3種非晶碳膜試樣在軸向載荷30 N、滑動速度50 mm/s下的磨損率如圖4所示。由圖可知，無薄膜試樣的磨損率為1.16×10-14m3/(m·N)，磨損最嚴重；a-C薄膜的磨損率為1.23×10-17m3/(m·N)，a-C/Cr薄膜的磨損率為1.05×10-17m3/(m·N)，摻雜Cr可以減小薄膜的磨損率；a-C/WC薄膜的磨損率為2.31×10-17m3/(m·N)，摻雜WC增加了薄膜的磨損率；對比無薄膜試樣的磨損率可知，3種薄膜均具有較優的抗磨性能。

圖4 薄膜磨損率Fig.4 Wear rate of thin films

3種薄膜在軸向載荷30 N、不同滑動速度下摩擦因數的變化曲線如圖5所示。由圖5a可知，無薄膜試樣的摩擦因數很大，摩擦僅持續了880 s，鋼球與試樣就進入嚴重磨損階段，摩擦因數急劇上升。a-C薄膜摩擦因數曲線波動較大，其穩定狀態下的平均摩擦因數為0.096，a-C/Cr薄膜的摩擦因數曲線波動很小，其穩定狀態下的平均摩擦因數為0.116。a-C/WC薄膜的摩擦因數曲線波動也很大，其穩定狀態下平均摩擦因數為0.148。由圖5b可知，a-C/Cr及a-C/WC的摩擦曲線波動較小，3種薄膜在磨損后期都出現了摩擦因數突然增大的現象，說明3種薄膜均被磨破。對比圖5a可知，3種薄膜的摩擦因數均隨著滑動速度的增大而明顯下降，這主要是由于非晶碳膜在摩擦熱和摩擦力共同作用下會發生石墨化轉變，使非晶態的碳均勻穩定地轉化為晶態石墨[12,15]，顯著降低摩擦過程中的摩擦因數。從磨損時長可以看出Cr摻雜提高了薄膜的壽命，而WC摻雜降低了薄膜的壽命。

圖5 不同滑動速度下薄膜摩擦因數曲線Fig.5 Friction coefficient curves of thin films under different sliding speeds

試樣在軸向載荷30 N、滑動速度50 mm/s下的磨痕形貌照片如圖6所示。由圖可知，無薄膜試樣磨損嚴重、磨痕寬度最大且存在明顯的犁溝，發生嚴重的黏著磨損，并伴有一定的磨粒磨損(圖6a)；a-C薄膜試樣的磨痕寬度最小且無明顯剝落坑出現，發生輕微的黏著磨損(圖6b)；a-C/Cr薄膜的磨痕寬度較a-C薄膜的大(圖6c)，這是由于Cr摻雜具有軟化非晶碳膜的作用[13-14]，在相同載荷下，接觸區域較大，薄膜中出現少量的剝落坑，發生輕微的疲勞磨損，這也為轉化的晶態石墨提供了一定的存儲空間，保證在摩擦過程中持續提供潤滑劑；a-C/WC薄膜的磨痕寬度在3種薄膜中最大(圖6d)，其臨界破壞載荷較低，在反復應力的作用下易從基體上脫落，導致較大塊狀剝落現象，發生較嚴重的疲勞磨損，使摩擦因數變化較大。

圖6 薄膜磨痕形貌照片Fig.6 Micrographs of worn morphology of thin films

3 結論

1)在乏油環境下，a-C/Cr薄膜的摩擦學性能最優，a-C/WC薄膜的摩擦學性能最差。

2)在乏油環境下，適當提高轉速可以促進非晶碳膜石墨化，起到固體潤滑作用，從而降低薄膜的摩擦因數。

3)摻雜Cr提高了薄膜與基體的結合力，降低了薄膜的磨損程度，而摻雜WC使薄膜與基體的結合力下降，加劇了薄膜磨損的程度。