磁控濺射離子鍍沉積C-Cr鍍層的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、碳鍵結(jié)構(gòu)以sp2雜化為主的類石墨鍍層雖具有高硬度、低內(nèi)應(yīng)力以及在大氣環(huán)境中優(yōu)越的摩擦學(xué)性能，但質(zhì)脆易裂；用濺射法制備的純金屬鉻鍍層雖具有較高的硬度、塑韌性和耐蝕性，但與其它金屬摩擦副對磨時(shí)會(huì)表現(xiàn)出大于0.7的摩擦系數(shù)。針對上述兩種鍍層具有廣泛應(yīng)用前景但實(shí)際應(yīng)用受到限制這一工程學(xué)問題，本文利用磁控濺射離子鍍技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)多組元共沉積和單組元順序沉積的工藝優(yōu)勢，制備出了不同C/Cr比的碳鉻雙組元鍍層，研究了以襯底偏壓脈沖寬度和偏壓大小作為控制

2、轟擊鍍層離子密度和能量的參量及以石墨靶電流和鉻靶電流實(shí)現(xiàn)對沉積速率和摻鉻含量的控制參數(shù)等不同制備工藝對該鍍層的微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律及影響機(jī)理，并探討了不同C/Cr比鍍層可能具有的應(yīng)用推廣價(jià)值。本文所取得的主要研究結(jié)果如下：
　　 隨著偏壓脈沖寬度的增大，非晶類石墨鍍層首先從疏松的粗柱狀結(jié)構(gòu)逐漸向細(xì)密的纖維狀結(jié)構(gòu)演變，隨后又會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷傻膱F(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)該鍍層的硬度和臨界結(jié)合強(qiáng)度均先增大后減小。分析結(jié)果表明，增大脈沖寬度提高了

3、單位時(shí)間內(nèi)轟擊鍍層表面的離子的數(shù)量和能量，提高了鍍層的形核密度，從而帶來了鍍層結(jié)構(gòu)和性能的顯著變化，1.5μs的脈沖寬度為沉積該鍍層的最佳值。
　　 隨著襯底偏壓的增大，類石墨鍍層同樣從疏松的粗柱狀結(jié)構(gòu)首先向細(xì)密的纖維狀結(jié)構(gòu)演變，隨后亦轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷傻膱F(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，鍍層的硬度、內(nèi)應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度伴隨著鍍層的sp3雜化碳含量的增減先增大，后減小，其摩擦因數(shù)和比磨損率則先降低，后升高。采用適當(dāng)?shù)囊r底偏壓有利于獲得結(jié)構(gòu)致密的摻鉻類石墨鍍

4、層，有利于提高鍍層的耐磨性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，65V左右的襯底偏壓為沉積該鍍層的最佳值。
　　 隨著石墨靶電流的增大，摻鉻類石墨鍍層的沉積速率提高，鍍層中的Cr/C原子比降低。同時(shí)，鍍層的硬度升高，結(jié)合強(qiáng)度下降，鍍層的摩擦因數(shù)和比磨損率則呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。當(dāng)石墨靶電流較小時(shí)，在鍍層中存在著鉻元素的富集區(qū)。隨著石墨靶電流的增大，鍍層的鉻含量降低，鉻在鍍層中的分布更加彌散。
　　 隨著鉻靶電流的增大，摻鉻類石墨鍍層的鉻含

5、量增加，鉻在鍍層中從彌散到富集，使鍍層逐漸呈現(xiàn)出納米多層膜的結(jié)構(gòu)特征。鉻含量進(jìn)一步增大時(shí)，鍍層則出現(xiàn)了多晶材料的特征。隨著鍍層中富鉻層厚度的增加，這種納米多層膜的硬度降低，但鍍層的結(jié)合強(qiáng)度提高。當(dāng)富鉻層的厚度超過3nm后，鍍層的結(jié)合強(qiáng)度開始下降。
　　 鉻元素在摻鉻類石墨鍍層中的存在形式有金屬鉻、鉻的氧化物和鉻的碳化物等，而碳元素的存在形式有sp2碳、sp3碳、碳的氧化物和鉻的碳化物等。碳在鍍層中的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)以sp2雜化為主，其次

6、為sp3雜化，兩者的相對量隨著靶電流大小的變化而變化，sp2碳約占鍍層全部碳原子的58.lat.％～80.7at.％，sp3碳則在8.5at.％～21.6at.％S范圍內(nèi)變化。
　　 隨著鉻含量的增大，摻鉻類石墨鍍層的硬度降低，而摩擦因數(shù)和比磨損率均先降低后升高。同時(shí)，鍍層由均勻的非晶態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓳駜?yōu)生長的鉻納米晶與非晶碳構(gòu)成的多層混合結(jié)構(gòu)。當(dāng)鉻含量在1.7at.％左右時(shí)，鍍層的結(jié)構(gòu)致密，表面光滑，硬度適中(22.5～19.8

7、GPa)，呈現(xiàn)最小的摩擦因數(shù)(0.075)和最低比磨損率(1.3xl0-16m3/Nm)，具有最佳的減摩耐磨性能。
　　 類石墨鍍層的硬度主要由鍍層的致密程度、鉻含量和sp2雜化碳簇束的無序程度決定，同時(shí)也受到sp3雜化碳含量和鍍層內(nèi)應(yīng)力等因素的影響。鍍層的致密度越好，sp2雜化碳簇束的無序程度越高，鍍層的硬度就越高；發(fā)生石墨化和形成轉(zhuǎn)移膜是類石墨鍍層主要的減摩耐磨機(jī)制。在類石墨鍍層中適量摻鉻，能進(jìn)一步提高sp2雜化碳在鍍層中的

8、含量及其有序程度，同時(shí)降低了鍍層硬度，形成適當(dāng)?shù)暮t濃度和梯度漸變調(diào)制結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了石墨化轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)移膜的形成，因而能進(jìn)一步優(yōu)化摻鉻類石墨鍍層的摩擦學(xué)性能。
　　 隨著碳含量的增加，Cr/C鍍層的熱穩(wěn)定性先是逐步提高，但超過一定限度后，進(jìn)一步增大碳含量又會(huì)造成鍍層的熱穩(wěn)定性降低。分析結(jié)果表明，在純鉻鍍層中加入碳元素后，鍍層發(fā)生了晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變；鍍層中碳化物減緩鍍層氧化進(jìn)程并與碳元素高溫氧化加快鍍層疏松失效兩反應(yīng)相互競爭，導(dǎo)致Cr/