鎢/類金剛石復(fù)合膜的摩擦磨損行為研究

汪云海 李星 強(qiáng)克迪 毛晶晶

1.航天科工武漢磁電有限責(zé)任公司特種材料檢測(cè)試驗(yàn)中心 湖北武漢 430000；2.珠海格力電器股份有限公司工藝研究中心 廣東珠海 519000

1 引言

類金剛石（Diamond-like carbon，DLC）膜是一種具有高硬度、減摩抗磨、耐腐蝕及良好化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性的新型表面改性材料，現(xiàn)已被廣泛用于機(jī)械、電子、裝飾保護(hù)、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-3]。目前對(duì)DLC膜的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室制備方法改進(jìn)和性能提升兩方面。DLC膜作為一種重要的表面改性材料，在使用時(shí)不可避免地會(huì)受到磨損，但是目前從摩擦學(xué)角度去探究涂層磨損機(jī)制的報(bào)道仍然較少[4-5]；本文利用復(fù)合磁控濺射法在高速鋼HAP40表面制備了鎢/類金剛石（W/DLC）復(fù)合膜，通過光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope，OM）、掃描電鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）、X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）、能譜分析（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）等方法，進(jìn)行了微觀組織觀察和物相分析，并研究了摩擦機(jī)制。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及制備

采用復(fù)合磁控濺射設(shè)備沉積W/DLC復(fù)合薄膜[6-7]，沉積方式如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中通過改變W過渡層沉積時(shí)間來控制過渡層厚度，本實(shí)驗(yàn)選擇過渡層沉積時(shí)間為20 min；實(shí)驗(yàn)選用高速鋼HAP40作為襯底材料，其化學(xué)成分如表1所示。沉積薄膜前，首先將基底材料放入丙酮和無水乙醇中超聲波清洗15 min，并用氮?dú)獯蹈桑缓笱b入真空腔樣品架，靶基距為16 cm，預(yù)抽真空2.0×10-5Torr。沉積薄膜時(shí)，首先向配有W靶（純度99.9%）的磁控濺射源通入55 sccm（標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘）的Ar氣，利用Ar離子濺射W靶，制備W過渡層，此階段功率設(shè)置為1.6 kW，電流設(shè)定為4 A；待W過渡層沉積完畢后，繼續(xù)向離子束源通入40sccm的C2H2，產(chǎn)生碳?xì)潆x子，沉積DLC薄膜；整個(gè)沉積過程中，襯底負(fù)脈沖偏壓控制在-120 V。

表1 HAP40化學(xué)成分（wt.%）

圖1 沉積系統(tǒng)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用德國(guó)Fischer公司生產(chǎn)的納米硬度計(jì)對(duì)表面硬度進(jìn)行測(cè)量，壓入深度為200 nm，每次測(cè)量6個(gè)點(diǎn)取平均值；復(fù)合膜厚度使用TriboTechnic公司生產(chǎn)的涂層磨損儀進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速設(shè)置：200 r/min；采用洛氏壓痕法，使用數(shù)顯洛氏硬度計(jì)和光學(xué)顯微鏡對(duì)復(fù)合膜的結(jié)合力進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合力參數(shù)選擇HRC，壓力選150 kgf（1471 N）；摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在C312日高沖床上進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)測(cè)（機(jī)床沖速240～248/min，壓力0.52 MPa）。

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合膜的組織及結(jié)構(gòu)

W/DLC復(fù)合膜的截面顯微形貌及能譜分析如圖2所示，其結(jié)構(gòu)為：基體-W-WXCY-DLC，其中純DLC層厚度為3 μm，WXCY層厚度為0.3 μm，W過渡層厚度為1.7 μm，是典型的3層復(fù)合結(jié)構(gòu)。對(duì)試樣截面進(jìn)行線掃分析，結(jié)果表明：在DLC層與W層之間存在W元素和C元素的成分交叉，即發(fā)生了成分?jǐn)U散，推斷DLC層與W層界面產(chǎn)生了機(jī)械互鎖，有利于降低DLC層的生長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)力，改善其界面結(jié)合情況[8-11]。

圖2 W/DLC復(fù)合膜截面SEM形貌及線掃描成分圖譜

3.2 復(fù)合膜的磨損性能

如表2所示為W/DLC復(fù)合膜、純DLC膜與基材的性能對(duì)比：W/DLC復(fù)合膜的硬度為2206 HV，純DLC膜的硬度為1478 HV，基材HAP40的硬度為740 HV，即W/DLC復(fù)合膜硬度遠(yuǎn)大于純DLC膜和基材HAP40；表面粗糙度也由基材的0.071降低到W/DLC復(fù)合膜0.057，表明摻W復(fù)合膜有利于降低膜與摩擦副之間的摩擦系數(shù)。

表2 W/DLC復(fù)合膜、純DLC膜與基材的性能對(duì)比

如圖3所示為W/DLC復(fù)合膜和純DLC膜涂層結(jié)合力測(cè)試的壓痕形貌，W/DLC復(fù)合膜在壓痕的邊緣位置沒有出現(xiàn)明顯的涂層脫落或裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，說明涂層表面平整度好，結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合力等級(jí)為HF1；純DLC膜在壓痕的邊緣位置出現(xiàn)了明顯的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，結(jié)合力等級(jí)為HF2。分析認(rèn)為：W過渡層的存在，在碳膜與基材界面之間起到了良好的緩沖過渡作用，W過渡層的熱膨脹系數(shù)（4.0×10-6K-1）介于基體（4.5×10-6K-1）與碳膜（2.3×10-6K-1）之間，緩解了直接接觸導(dǎo)致不同收縮傾向產(chǎn)生的應(yīng)變[12-13]。

圖3 W/DLC復(fù)合膜和純DLC膜涂層結(jié)合力等級(jí)

為進(jìn)一步驗(yàn)證W/DLC復(fù)合膜在模具中的低摩擦系數(shù)與高耐磨性能，現(xiàn)將包覆有W/DLC復(fù)合膜的沖頭模具（共144個(gè)）在C312日高沖床空調(diào)生產(chǎn)線上進(jìn)行試用。沖壓鋁箔約5個(gè)月后，只有3～5個(gè)沖頭頂部出現(xiàn)了涂層剝落現(xiàn)象，但是未出現(xiàn)粘鋁現(xiàn)象，顯著的提高了模具的壽命，如圖4a)所示；從圖4b)中可以看出，磨損位置分為4個(gè)區(qū)域：1區(qū)為膜層脫落區(qū)，整個(gè)表面呈現(xiàn)淡黃色；2區(qū)為膜層磨損區(qū)，裸露出了亮色金屬層；3區(qū)為膜層劃傷區(qū)；4區(qū)為膜層輕微磨損區(qū)；圖4c)為圖4b)中1、2、3區(qū)域的放大圖，圖4d)是圖4b)中4區(qū)域的放大圖?，F(xiàn)對(duì)1、2、3、4區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表3至表6所示。由表3可知，1區(qū)域表面主要成分是Cr、O及粘附的Al元素，證明已磨損至基材；由表4可知，2區(qū)域主要由C、W兩種元素組成，分析認(rèn)為該區(qū)域?yàn)閃XCY過渡層；由表5可知，3區(qū)域主要為C、O元素，分析認(rèn)為這是摩擦過程中復(fù)合膜表面吸附了空氣中的氧所致；由表6可知，4區(qū)域主要成分為C元素，表面基本為DLC碳膜，該區(qū)域磨損程度最小。綜上所述：W/DLC復(fù)合膜的主要磨損形式為滑動(dòng)磨損，表面基本沒有粘附鋁元素，但是會(huì)吸附空氣中或潤(rùn)滑油中的氧；HAP40基材磨損形式主要為滑動(dòng)磨損和粘著磨損的綜合形式，表面粘附著一些鋁粉，磨損表面溝壑縱橫比較嚴(yán)重；在DLC層及W過渡層完全磨損掉之前，其表面磨損形貌及光潔度完全優(yōu)于基材。

圖4 膜層不同磨損位置微觀形貌

表3 涂層沖頭1區(qū)域磨損位置能譜分析

表4 涂層沖頭2區(qū)域磨損位置能譜分析

表5 涂層沖頭3區(qū)域磨損位置能譜分析

表6 涂層沖頭4區(qū)域磨損位置能譜分析

3.3 復(fù)合膜的磨損機(jī)理研究

HAP40沖頭在使用過程中表面會(huì)出現(xiàn)粘鋁的現(xiàn)象，為分析粘鋁位置產(chǎn)物（生成新的金屬間化合物或只是單純的表面吸附累積過程），需將模具縱向剖開進(jìn)行XRD實(shí)驗(yàn)，對(duì)界面結(jié)合層附近的產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，確定物相種類，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：除了基材中的FeCr相，基材與粘鋁層過渡界面檢測(cè)到了AlFe相；分析認(rèn)為在摩擦磨損過程中，基材不斷裸露出新鮮的界面，在摩擦熱和剪切力的綜合作用下，部分Al原子與Fe原子組成了體心立方結(jié)構(gòu)的AlFe金屬間化合物；在隨后的摩擦過程中，生成的金屬間化合物增大了模具表面的粗糙度，“咬合”作用增強(qiáng)，鋁屑逐漸在AlFe金屬間化合物的基礎(chǔ)上堆砌，形成積屑瘤；圖6為包覆W/DLC膜沖頭頂部位置的XRD圖譜，XRD中并未出現(xiàn)明顯的物象波峰，且表面碳膜為非晶結(jié)構(gòu)，說明包覆后沖頭并未與鋁基材發(fā)生反應(yīng)生成金屬間化合物。

圖5 HAP40沖頭粘鋁位置微區(qū)XRD分析

圖6 包覆W/DLC復(fù)合膜的沖頭頂部位置微區(qū)XRD分析

如圖7所示為粘附摩擦模型：模型中鋁箔以速度V在剛性HAP40表面滑動(dòng)；在某一時(shí)刻，粘附發(fā)生在一個(gè)元素點(diǎn)A處，如圖7a)所示，然后彈性鋁箔繼續(xù)以速度V滑行，粘附點(diǎn)A受到粘附摩擦力f，做功并產(chǎn)生了摩擦熱，并在B點(diǎn)生成金屬間化合物AlFe，如圖7b)所示。隨后在下一階段的某個(gè)時(shí)刻發(fā)生另一循環(huán)，如此反復(fù)，生成一定數(shù)量的AlFe金屬間化合物；此時(shí)，剛性HAP40表面對(duì)鋁的粘附作用增強(qiáng)，鋁粉容易在模具表面堆積，形成積屑瘤。

圖7 粘附摩擦模型

相比HAP40基材，W/DLC復(fù)合膜在摩擦磨損過程中不易粘附鋁粉，表面保持低摩擦系數(shù)，具備超潤(rùn)滑特性。分析認(rèn)為：DLC膜層沉積過程中，大量氫原子與碳原子形成共價(jià)鍵，進(jìn)而飽和σ懸鍵，此外，還有部分氫存在于涂層空隙中，保證涂層中有充足的氫以飽和σ懸鍵，使涂層表面被鈍化，進(jìn)而獲得低摩擦系數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 DLC膜原子結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文采用合磁控濺射法在高速鋼HAP40表面制備了W/DLC復(fù)合膜，研究了摻W的DLC膜的微觀形貌、結(jié)構(gòu)組分、摩擦磨損性能，重點(diǎn)探討了W/DLC復(fù)合膜在沖壓鋁箔條件下的摩擦學(xué)行為。結(jié)果如下：

（1）W過渡層的存在有利于降低DLC膜層的生長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)力，改善其界面結(jié)合情況；

（2）W/DLC復(fù)合膜的主要磨損形式為滑動(dòng)磨損，表面基本沒有粘附鋁元素，但是會(huì)吸附空氣中或潤(rùn)滑油中的氧；

（3）HAP40基材磨損形式主要為滑動(dòng)磨損和粘著磨損的綜合形式，表面粘附著一些鋁粉，磨損表面溝壑縱橫比較嚴(yán)重；

（4）W/DLC復(fù)合膜中存在大量氫原子飽和σ懸鍵，使涂層表面被鈍化，進(jìn)而獲得低摩擦系數(shù)。

（5）W/DLC復(fù)合膜低摩擦系數(shù)、高的硬度以及良好的導(dǎo)熱性，可以讓機(jī)械零件在沒有冷卻和潤(rùn)滑油的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，而不至于導(dǎo)致過高的溫度，提高壽命，因此其在家電制造業(yè)具有巨大的應(yīng)用前景，能夠極大地節(jié)約成本，尤其是在模具領(lǐng)域。