董丹,蔣百靈,郭萌,楊超

西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710048

摘要

關(guān)鍵詞：碳基鍍層;Cr含量;微觀結(jié)構(gòu);摩擦學(xué)性能

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的日益發(fā)展,越來(lái)越多的機(jī)械部件開(kāi)始朝著高精度、高速度、高質(zhì)量的水平發(fā)展,作為機(jī)械部件的主要基礎(chǔ)件——軸承的摩擦失效問(wèn)題越來(lái)越突出。精密機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中,由于其相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間幾乎是零間隙裝配,傳統(tǒng)的通過(guò)在摩擦副之間形成連續(xù)油膜來(lái)隔離部件以減少磨損的“引入潤(rùn)滑介質(zhì)實(shí)現(xiàn)減磨延壽”的制造理念已很難實(shí)現(xiàn)。例如在諧波減速器中的柔性軸承因難以形成連續(xù)油膜而處于鋼與鋼之間的直接接觸摩擦,其摩擦系數(shù)(一般大于0.5[1])遠(yuǎn)大于形成連續(xù)油膜的摩擦副之間10-2 [2~4]數(shù)量級(jí)的摩擦系數(shù),從而導(dǎo)致摩擦副過(guò)早失效,嚴(yán)重縮短工件的使用壽命。而為解決此類有相對(duì)運(yùn)動(dòng)精密機(jī)械基礎(chǔ)件的“減磨延壽”問(wèn)題,在其表面制備1 μm左右厚度的高導(dǎo)熱、低摩擦系數(shù)并有納米金屬微晶起增韌作用的碳基離子鍍層的表面處理成為有效途徑。

在過(guò)去的幾十年中,由于工業(yè)需求對(duì)固體潤(rùn)滑材料的推動(dòng),CNx薄膜、類金剛石薄膜、類石墨薄膜等諸多碳基鍍層得到了迅速發(fā)展[5~7]。類金剛石碳膜(DLC)以sp3雜化鍵結(jié)構(gòu)為主,具有較高的硬度及較好的摩擦學(xué)性能[8],但同時(shí)因其較差的膜基附著力及高內(nèi)應(yīng)力,嚴(yán)重限制了此類固體潤(rùn)滑材料的工程應(yīng)用[9~11]。而類石墨薄膜(GLC)是一種以sp2雜化鍵為主要化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)的無(wú)定形碳質(zhì)材料,非晶基質(zhì)中同時(shí)含有納米量級(jí)形態(tài)各異的碳團(tuán)簇[12~14],表現(xiàn)出更為良好的自適應(yīng)減摩抗磨特性,可為大量處于干摩擦及混合摩擦狀態(tài)下的摩擦副零部件提供有效的潤(rùn)滑劑防護(hù)[15~17],具有更為廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)80年代以來(lái),大量研究[18~26]表明,給純碳類石墨碳鍍層中摻入Cr、Ti、W、Mo等過(guò)渡金屬元素可有效緩解其高脆性及較差的附著力。其中,Yang等[27,28]的研究表明,Cr作為摻雜金屬引入非晶碳基鍍層中,能與C鍵合形成碳化物納米晶鑲嵌在非晶碳基質(zhì)中,有效地緩解碳基離子鍍層的內(nèi)應(yīng)力和提高膜基附著力,改善碳基離子鍍層的高脆性及機(jī)械摩擦學(xué)行為。雖然人們研究了很多摻雜類石墨碳基鍍層的性能,但摻雜金屬誘發(fā)碳基鍍層微觀結(jié)構(gòu)的改變以及微觀結(jié)構(gòu)差異對(duì)鍍層性能影響的機(jī)理均了解不夠透徹。

本工作利用磁控濺射離子鍍沉積技術(shù),制備了一組不同Cr含量的碳基離子鍍層,研究了金屬Cr摻雜誘發(fā)碳基離子鍍層納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)理,討論了Cr含量對(duì)碳基離子鍍層的力學(xué)及摩擦學(xué)性能的影響機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用MSIP019型閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備沉積不同Cr含量的碳基離子鍍層。設(shè)備真空腔直徑450 mm、高400 mm,平面陰極靶材為高純C靶(約99.99%)及Cr靶(約99.99%)各一塊,對(duì)稱布置于圓柱形爐腔兩側(cè),靶材直徑100 mm,通過(guò)調(diào)整陰極磁鐵排布及磁場(chǎng)強(qiáng)度將靶材表面放電面積縮小至45 cm2左右。實(shí)驗(yàn)基體選取P型(100)單晶Si片和M2高速鋼片,其中,單晶Si片主要用于檢測(cè)鍍層的微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)應(yīng)力以及力學(xué)性能;高速鋼片主要用于檢測(cè)鍍層的摩擦學(xué)性能。基體材料在使用前分別采用CH3COCH3(丙酮)和CH3CH2OH (乙醇)溶液各超聲波清洗20 min,清洗完成后用N2吹干放置于真空腔內(nèi)120 mm處。實(shí)驗(yàn)在高純Ar氣氛中進(jìn)行,真空度抽至3.0×10-3Pa以上,氣壓保持在1.1×10-2~1.2×10-2Pa范圍內(nèi)。碳基離子鍍層的制備過(guò)程主要包括等離子體清洗、沉積純Cr打底層、沉積過(guò)渡層和沉積工作層4個(gè)步驟。沉積工作層時(shí),C靶電流為1.5 A,基體偏壓為-60 V,沉積時(shí)間為2 h,通過(guò)改變Cr靶電流調(diào)節(jié)工作層Cr含量,具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

利用JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和Dimension Icon型原子力顯微鏡(AFM)觀察鍍層表面與截面的微觀形貌;利用Renishaw inVia Relfex型Raman光譜儀對(duì)鍍層進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析;利用AXIS ULTRA型X射線光電子能譜(XPS)分析鍍層的元素組成及化學(xué)狀態(tài);利用XRD-7000S型X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的相結(jié)構(gòu),Cu靶(波長(zhǎng)為0.15406 nm),電壓40 kV,電流30 mA,步長(zhǎng)0.02°,掃描速率8°/min,掃描范圍(2θ)為20°~80°;利用JEM-3010型透射電子顯微鏡(TEM)分析鍍層的截面顯微結(jié)構(gòu);用BGS 6341型電子薄膜應(yīng)力分布測(cè)試儀分析鍍層的內(nèi)應(yīng)力;利用Aligent Technologies Nano Indentor G200型納米壓痕儀分析薄膜的硬度及彈性模量;利用XLGT200型POD針盤(pán)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試鍍層的摩擦性能,所用摩擦副為直徑5 mm的GCr15小球,測(cè)量轉(zhuǎn)速為200 r/min,測(cè)試時(shí)間為30 min,相對(duì)濕度為50%~60%,溫度為20~25 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 鍍層的微觀結(jié)構(gòu)

5組不同Cr含量碳基鍍層的表面形貌如圖1所示。從圖中可以看出,鍍層基本呈島狀生長(zhǎng)方式,表面呈大小不等的團(tuán)簇,團(tuán)簇之間有明顯的界限。實(shí)驗(yàn)利用AFM對(duì)鍍層的表面粗糙度(Ra)進(jìn)行檢測(cè),5組試樣的Ra分別為4.7、2.8、4.8、5.8和5.9 nm。當(dāng)Cr含量為0 (純C)時(shí),鍍層表面團(tuán)簇之間界限細(xì)淺且團(tuán)簇大小基本均等(圖1a);當(dāng)Cr含量增加到2.0%時(shí),鍍層表面團(tuán)簇之間界限更加細(xì)淺,粗糙度降低且表面平整光滑,致密性良好(圖1b);當(dāng)Cr含量增加到6.5%時(shí),鍍層表面團(tuán)簇顆粒直徑減小,團(tuán)簇之間界限增多(圖1c);當(dāng)Cr含量增加到17.3%時(shí),鍍層表面團(tuán)簇顆粒更加細(xì)小,團(tuán)簇之間界限變寬,致密性變差(圖1d);當(dāng)Cr含量進(jìn)一步增加至25.5%時(shí),鍍層表面團(tuán)簇起伏明顯,粗糙度增大,團(tuán)簇之間界限出現(xiàn)空隙,致密性進(jìn)一步劣化(圖1e)。因此,微量摻雜金屬Cr元素有助于降低碳基鍍層表面粗糙度,并提高其致密性,但摻Cr過(guò)多則有不利影響。

圖1不同Cr含量鍍層的表面形貌

Fig.1Surface morphologies of coatings with different atomic fractions of Cr(a) 0 (b) 2.0% (c) 6.5% (d) 17.3% (e) 25.5%

圖2為5組不同Cr含量碳基鍍層的Raman光譜。從圖中可以看出,Raman光譜在1000~1800 cm-1處呈現(xiàn)出典型的非晶C的非對(duì)稱特征峰,并且隨著Cr含量的增加主峰的強(qiáng)度逐漸減弱。這是因?yàn)镃元素有較強(qiáng)的光吸收性,Raman光譜主要檢測(cè)分析C元素的吸收結(jié)果,隨著Cr含量的增加,鍍層中C元素比例及自由C的含量逐漸減少,峰強(qiáng)逐漸變?nèi)酢５湫偷姆蔷膜Raman光譜主要由1350 cm-1附近的D峰和1560 cm-1附近的G峰構(gòu)成,G峰和D峰都是由于C原子的sp2雜化鍵引起的,其中,G峰源于鍍層中所有sp2態(tài)(環(huán)狀或鏈狀)的面內(nèi)伸縮振動(dòng),D峰源于環(huán)狀結(jié)構(gòu)sp2態(tài)的呼吸振動(dòng)[29~31]。

圖2不同Cr含量鍍層的Raman光譜

Fig.2Raman spectra of coatings with different atomic fractions of Cr

Raman光譜擬合之后D峰和G峰的積分面積強(qiáng)度比(ID/IG)反映sp2環(huán)狀結(jié)構(gòu)的多少,G峰半高寬(FWHM(G))和G峰位置(Disp(G))反映薄膜的無(wú)序度,其中,FWHM(G)主要測(cè)量薄膜由鍵長(zhǎng)和鍵角引起的結(jié)構(gòu)上的無(wú)序,而Disp(G)主要測(cè)量薄膜中sp2團(tuán)簇尺寸和形狀引起的拓?fù)錈o(wú)序。5組不同Cr含量碳基鍍層的Raman光譜的擬合結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出,隨著Cr含量的增加,(ID/IG)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在Cr含量為17.3%時(shí)(ID/IG)最大,(ID/IG)越大說(shuō)明鍍層中以離域形式存在的π鍵含量越少[32,33],即C-C鍵主要以sp2雜化鍵形式存在;隨著Cr含量的增加,FWHM(G)先減小后增大,而Disp(G)則先增大后減小,這說(shuō)明鍍層中sp2團(tuán)簇的有序度先增強(qiáng)后降低。由于Cr靶功率密度增大,沉積過(guò)程中粒子離化率增大且能量增強(qiáng),sp2團(tuán)簇增加的同時(shí),能量的增加并未影響sp2雜化鍵的形狀和尺寸;當(dāng)Cr靶功率密度增大,能量進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí),sp2雜化鍵的原有秩序被打亂,鍍層的有序度降低。

圖3不同Cr含量鍍層的ID/IG及G峰位置

Fig.3ID/IGand G-peak position of coatings with different atomic fractions of Cr (FWHM(G)—full width at half maximum, Disp(G)—G peak dispersion,ID/IG—intensity ratio of D and G peaks)

圖4為5組不同Cr含量鍍層的C1s精細(xì)譜(XPS)。從圖中可以看出,隨著Cr含量的增加,C1s峰的強(qiáng)度逐漸減弱,這主要是Cr含量增大造成鍍層中C含量相對(duì)減少的結(jié)果。石墨的C1s電子結(jié)合能在284.3 eV左右,而金剛石的C1s電子結(jié)合能在285.2 eV左右[34],圖中鍍層的C1s電子結(jié)合能均更接近于284.3 eV,則說(shuō)明鍍層中的C鍵結(jié)構(gòu)主要以sp2雜化鍵為主。隨著Cr含量的增加,C1s峰均比純C鍍層向結(jié)合能低的方向移動(dòng),說(shuō)明sp2雜化鍵在C鍵中的比例增加。對(duì)C1s精細(xì)譜進(jìn)行分峰擬合可得能量位于284.3 eV的sp2峰、285.2 eV的sp3峰、286.8 eV的C—O峰和288.5 eV的C=O峰,當(dāng)Cr含量增大到一定值時(shí),還會(huì)在282.1 eV處出現(xiàn)C—Cr峰[18]。擬合之后各價(jià)鍵比例如圖5所示。隨著Cr含量的增加,sp2雜化鍵比例從59.9%增加到79.2%,sp3雜化鍵比例從28.9%減少到8.6%,可見(jiàn),金屬Cr元素的添加促進(jìn)了鍍層的石墨化轉(zhuǎn)變。隨著Cr含量的增加,鍍層中C—Cr鍵比例從0增加到7.0%,說(shuō)明摻入Cr元素后,鍍層微觀結(jié)構(gòu)中逐漸開(kāi)始出現(xiàn)少量的碳鉻化合物(有Cr23C6、Cr7C3及Cr3C2,主要為Cr3C2)納米晶團(tuán)簇。

圖4不同Cr含量鍍層的C1s精細(xì)譜

Fig.4C1s spectra of coatings with different atomic fractions of Cr

圖5不同Cr含量鍍層的C1s精細(xì)譜擬合結(jié)果

Fig.5Fitting results of C1s spectra of coatings with different atomic fractions of Cr

5組不同Cr含量鍍層的XRD譜如圖6所示。從圖中可以看出,當(dāng)Cr含量為0 (純C)時(shí),鍍層的XRD譜為典型的非晶衍射峰,說(shuō)明鍍層為非晶相結(jié)構(gòu);當(dāng)Cr含量從2.0%增加到25.5%時(shí),圖中逐漸出現(xiàn)微弱的晶相衍射峰,說(shuō)明鍍層中出現(xiàn)短程有序結(jié)構(gòu)或尺寸極小的微晶粒,衍射峰強(qiáng)度隨Cr含量的增加而增大,說(shuō)明微晶粒的尺寸及數(shù)量隨之增大。當(dāng)Cr含量增加到一定程度時(shí),鍍層中形成大量尺寸很小的金屬Cr或碳鉻化合物等結(jié)晶相,鍍層的微觀結(jié)構(gòu)由典型的非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶鑲嵌在非晶基質(zhì)中的納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖6不同Cr含量鍍層的XRD譜

Fig.6XRD spectra of coatings with different atomic fractions of Cr

圖7為Cr含量為2.0%和25.5%時(shí)鍍層的HRTEM像及SAED譜。從圖7a中可以看出,Cr含量為2.0%時(shí)金屬摻雜量較小,鍍層的SAED譜呈彌散的圓暈狀,表明其結(jié)構(gòu)為典型的非晶態(tài),由鍍層的HRTEM像也可看出其呈均勻的非晶結(jié)構(gòu)。結(jié)合前文中XPS及XRD的分析結(jié)果可知,雖然Cr含量為2.0%時(shí)鍍層中有極少的C—Cr鍵形成,有微弱的晶化的趨勢(shì),但團(tuán)簇短程有序度很低,不足以在鍍層高分辨像中觀察到明顯的納米晶粒。從圖7b中可以看出,當(dāng)Cr含量增加到25.5%時(shí),鍍層的SAED譜呈衍射環(huán),鍍層顯微組織的晶態(tài)特征明顯增強(qiáng),表明此時(shí)鍍層已由完全的非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶鑲嵌在非晶基質(zhì)中的納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖中深色區(qū)域?yàn)橐仔纬杉{米晶的富Cr區(qū),淺色區(qū)域?yàn)橐仔纬煞蔷ЫY(jié)構(gòu)的富C區(qū),并且在圖中可以觀察到大量2~10 nm尺度的納米晶粒團(tuán)簇分散在非晶碳基質(zhì)的局部區(qū)域。

圖7不同Cr含量鍍層工作層的HRTEM像和SAED譜

Fig.7HRTEM images and SAED patterns (insets) of working layer in coatings with 2.0%Cr (a) and 25.5%Cr (b)

結(jié)合以上微觀結(jié)構(gòu)分析可知,純C鍍層為典型的非晶結(jié)構(gòu),當(dāng)Cr含量很小時(shí),Cr原子完全溶解于非晶C鍍層中,隨著Cr靶功率密度的進(jìn)一步增加,鉻離子或活性基團(tuán)含量及平均動(dòng)能均隨之增加,促使碳鉻化合物的形成,當(dāng)Cr含量超過(guò)一定范圍,碳基鍍層中會(huì)生成大量的金屬Cr及碳鉻化合物納米晶粒,鍍層從完全的非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2.2 鍍層的力學(xué)性能

圖8為5組不同Cr含量鍍層的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出,隨著Cr含量的增加,鍍層的內(nèi)應(yīng)力先顯著減小后基本趨于平穩(wěn),鍍層的硬度及彈性模量均隨Cr含量的增加而呈減小的趨勢(shì)。鍍層內(nèi)應(yīng)力顯著減小主要有以下3個(gè)原因：第一,最初Cr含量較小的溶解階段,Cr原子易與C原子鍵合從而減少鍍層中的懸掛鍵,降低了成鍵對(duì)方向性的束縛,緩解了鍍層三維碳基網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中由于鍵角扭曲而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,并且鍍層中sp3雜化鍵含量降低,sp2雜化鍵含量趨于增多,內(nèi)應(yīng)力可通過(guò)sp2雜化C重新排列而釋放;第二,Cr作為過(guò)渡族金屬元素,其原子核對(duì)外層電子約束較小,而C原子與Cr原子鍵合可有效改變碳基網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的核外電子密度,從而抑制內(nèi)應(yīng)力的累積;第三,當(dāng)Cr含量增加到一定程度時(shí),鍍層中出現(xiàn)納米晶金屬碳化物,其固有的弛豫作用及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,降低了鍍層生長(zhǎng)過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力。原子鍵的結(jié)合鍵強(qiáng)度越大,受到外力作用時(shí)抵抗塑性變形的能力越強(qiáng),表現(xiàn)出硬度就越大。要想獲得高硬度的鍍層,則需要高強(qiáng)度的共價(jià)鍵和短的鍵長(zhǎng),鍵能大、鍵長(zhǎng)短的sp3雜化鍵是決定鍍層硬度的主要因素。隨著Cr含量的增加,鍍層中sp3雜化鍵含量減小,sp2雜化鍵含量增大,并且結(jié)合圖3可知,鍍層中sp2雜化鍵有序度也相應(yīng)提高,使得鍍層的sp3/sp2比率迅速減小,鍍層的硬度隨之降低;另一方面,隨著Cr含量的增加,鍍層的致密度降低,也導(dǎo)致了鍍層硬度的降低。

圖8不同Cr含量鍍層的力學(xué)性能

Fig.8Mechanical properties of coatings with different atomic fractions of Cr

2.3 鍍層的摩擦學(xué)性能

圖9為5組不同Cr含量鍍層在不同環(huán)境條件下的摩擦系數(shù)。從圖中可以看出,隨著Cr含量的增加,鍍層在干摩擦及諧波油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)均先減小后增大,在Cr含量為2.0%時(shí),摩擦系數(shù)有最小值,并且諧波油潤(rùn)滑條件下鍍層的摩擦系數(shù)均小于干摩擦條件下的摩擦系數(shù)。在摩擦過(guò)程中,兩個(gè)固體表面在一定壓力作用下相互接觸,相對(duì)移動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生物理粘著現(xiàn)象,碳基鍍層表面在摩擦應(yīng)力的熱效應(yīng)作用下會(huì)發(fā)生石墨化并生成轉(zhuǎn)移膜,有效地降低鍍層的磨損,提高了其耐磨性能[35,36]。當(dāng)Cr含量為2.0%時(shí),鍍層中sp2雜化鍵含量增加有序度提高,有利于轉(zhuǎn)移膜的生成,并且鍍層組織均勻、致密度高且粗糙度小,有效地降低了鍍層的摩擦系數(shù);當(dāng)Cr含量繼續(xù)增加時(shí),鍍層組織的均勻性及致密性降低,粗糙度增大,并且形成大量的金屬Cr及碳鉻化合物等微晶組織,阻止摩擦面連續(xù)轉(zhuǎn)移膜的形成,使鍍層的摩擦系數(shù)增大。在諧波油潤(rùn)滑條件下,摩擦系數(shù)的變化較為平緩,潤(rùn)滑油膜使鍍層與摩擦副無(wú)直接接觸,并且潤(rùn)滑油膜厚度大、黏度高,剪切應(yīng)力主要集中在潤(rùn)滑油膜內(nèi),減少微凸體之間的接觸,剪切強(qiáng)度降低,從而降低了鍍層的摩擦系數(shù)。

圖9不同Cr含量鍍層的摩擦系數(shù)

Fig.9Friction coefficients of coatings with different atomic fractions of Cr

5組不同Cr含量鍍層在干摩擦條件下的比磨損率如圖10所示。從圖中可以看出,當(dāng)Cr含量為2.0%時(shí),鍍層的比磨損率從9.4×10-16m3/(Nm)降低到5.2×10-16m3/(Nm),之后比磨損率隨Cr含量的增加而增大,當(dāng)Cr含量增加到25.5%時(shí),鍍層在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)磨穿失效,說(shuō)明摻入較少的金屬Cr元素可以有效地降低鍍層的比磨損率。

圖10不同Cr含量鍍層的比磨損率

Fig.10Specific wear rates of coatings with different atomic fractions of Cr

5組不同Cr含量鍍層在干磨擦條件下的磨痕形貌如圖11所示。從圖中可以看出,純C鍍層的磨痕中間有微凸體劃過(guò)的痕跡,即微凸體在鍍層表面滑動(dòng)形成犁溝,分布在磨痕中間位置,越靠中間犁溝痕跡越深,并且在邊緣有被擠出的C粉材料堆積;當(dāng)Cr含量為2.0%時(shí),磨痕軌跡中未出現(xiàn)犁溝,磨痕較淺,是因?yàn)榈偷哪Σ料禂?shù)減輕了摩擦力;隨著Cr含量的增加,磨痕進(jìn)一步變寬但仍未出現(xiàn)較深的犁溝;當(dāng)Cr含量為17.3%時(shí),磨痕軌跡變深,出現(xiàn)明顯的犁溝,并且在磨痕最深的位置有部分微小的脫落;當(dāng)Cr含量為25.5%時(shí),磨痕軌跡更加明顯,且鍍層有嚴(yán)重的脫落現(xiàn)象,脫落部分摩擦副直接與高速鋼基體接觸摩擦產(chǎn)生很深的痕跡,這是因?yàn)镃r含量過(guò)大使鍍層的硬度和彈性模量大幅降低,承載能力變差導(dǎo)致耐磨性明顯下降。

圖11不同Cr含量鍍層的磨痕形貌

Fig.11Wear tracks of coatings with different atomic fractions of Cr(a) 0 (b) 2.0% (c) 6.5% (d) 17.3% (e) 25.5%

鍍層的耐磨性主要取決于其摩擦系數(shù)、硬度和顯微組織等幾方面因素。鍍層的摩擦系數(shù)越小,硬度越高,則鍍層的比磨損率越小。當(dāng)Cr含量較小時(shí),鍍層的摩擦系數(shù)顯著減小,鍍層的硬度稍有降低,顯微組織均勻致密,有助于降低鍍層的比磨損率;當(dāng)Cr含量進(jìn)一步增加時(shí),鍍層中形成大量金屬Cr和碳鉻化合物等硬質(zhì)顆粒,在摩擦過(guò)程中這些硬質(zhì)顆粒與摩擦副產(chǎn)生磨粒磨損,加上鍍層硬度的顯著下降,使其比磨損率明顯增大,加速了鍍層的磨損,降低了鍍層的耐磨性。

3 結(jié)論

(1) 微量摻雜金屬Cr元素有助于降低磁控濺射離子鍍技術(shù)制備的碳基鍍層的表面粗糙度,并提高鍍層致密性。

(2) 碳基離子鍍層均以sp2雜化鍵為主,隨著Cr含量的增加,鍍層中的sp3雜化鍵含量減小,sp2雜化鍵含量增大,一定范圍內(nèi)提高了sp2雜化鍵的有序度,促使其發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變。并且隨著Cr含量的增加,鍍層中C—Cr化合鍵含量增加,當(dāng)Cr含量為25.5%時(shí),出現(xiàn)大量2~10 nm的納米晶團(tuán)簇,其微觀結(jié)構(gòu)由典型的非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。

(3) 碳基離子鍍層的顯微組織和sp2、sp3雜化鍵含量多少是影響其性能的主要因素,其硬度、彈性模量以及內(nèi)應(yīng)力均隨著Cr含量的增加呈降低趨勢(shì),金屬Cr元素的摻雜對(duì)碳基離子鍍層有明顯的去應(yīng)力作用。在干摩擦及諧波油潤(rùn)滑條件下,鍍層的摩擦系數(shù)和比磨損率均呈先減小后增大的趨勢(shì),當(dāng)Cr含量為2.0%時(shí),鍍層的摩擦系數(shù)和比磨損率最小,微量金屬Cr元素的加入可有效地改善碳基離子鍍層的摩擦學(xué)性能。

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