Si3N4球/DLC膜摩擦副在真空環境下的摩擦學行為研究

2014-12-18 曾群鋒西安交通大學

　　采用非平衡磁控濺射技術在高速鋼基體上制備了類金剛石( DLC) 膜。采用球盤式摩擦磨損試驗機考察了DLC 膜在大氣和真空環境干摩擦條件下的摩擦學性能，并比較分析了GCr15 鋼球和Si3N4球不同摩擦配副對DLC 膜的摩擦學性能。采用光學顯微鏡及掃描電鏡觀察了摩擦副的磨損表面形貌。研究結果表明: 由于轉移膜的形成Si3N4球/DLC 膜摩擦副在大氣下具有良好的摩擦學性能; 而在真空條件下摩擦副易發生明顯的粘著磨損，使摩擦系數、磨斑增加，磨損表面上存在著較多的片狀磨屑和微米級顆粒。

　　隨著航空、航天等高技術領域的進步和發展，迫切需要解決極端條件( 如高真空、高溫等) 下關鍵零部件如滾動軸承的潤滑問題。航空發動機用滾動軸承性能的好壞直接影響到軸系的運轉狀態，進而影響到發動機的性能。因氮化硅具有良好的抗氧化性、低密度、低熱膨脹系數、較高的強度以及很好的耐熱沖擊性等，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為正是因為這些特性，使其在高速滾動軸承中得到了廣泛地使用，但有關其摩擦學性能的研究較少，尤其是在真空環境下的摩擦學行為。

　　潤滑技術是保證空間運載工具和飛行器安全可靠運行的關鍵技術之一。由于關鍵零部件的摩擦副在真空環境下粘著傾向增強，摩擦熱效應增大，摩擦振動加劇，應采用固體潤滑膜防止金屬間的直接接觸。類金剛石( Diamond like Carbon，DLC) 膜以其優良的摩擦學性能極大地引了人們的研究興趣。DLC 膜是一種具有高硬度、高彈性模量、低摩擦系數、高化學穩定性，尤其是具有良好力學和摩擦學性能的非晶碳膜，在機械、電子和生物等領域得到了廣泛的應用。DLC膜在大氣環境下具有優異的摩擦學性能，但在真空環境下其摩擦學行為研究不多，這限制了DLC 膜在真空環境下的工程應用。真空環境下由于摩擦熱難以擴散以及缺乏氧氣和水分等，DLC 膜往往表現出與大氣環境下不同的摩擦學性能。因此，研究DLC 膜在真空環境下的摩擦學性能，探索其摩擦磨損規律，為積累和完善航空航天材料摩擦學性能的基礎數據以及促進DLC 膜作為固體潤滑膜在真空環境下的應用，迫切需要研究其真空摩擦學性能，本文研究了真空環境下DLC 膜與Si3N4摩擦副的摩擦學行為，分析探討DLC 膜摩擦副在真空環境下的摩擦磨損機理，為DLC 膜在真空環境下的應用提供理論依據，這對我國空間潤滑及航空航天事業的發展具有重要意義。

1、薄膜制備及實驗方法

1.1、 DLC 膜的制備

　　DLC 膜的摩擦磨損特性和基體的性質密切相關。基體為高速鋼，其洛氏硬度為60 ～62 HRC。直徑30 mm，厚度5 mm 的圓盤試樣經過打磨、粗拋和精拋等一系列預處理后，其表面粗糙度Ra 為0.02 ～0.03 μm。拋光后的基體表面存在油污灰塵等雜質，將基體放在丙酮中超聲波清洗15 min，用去離子水清洗后，放在無水乙醇中清洗15 min，最后用去離子水清洗干凈后立即用電吹風將基體表面吹干，干燥后置于真空室內可旋轉的試樣架上。

　　采用非平衡磁控濺射技術，以乙炔和氬氣為工作氣體，在基體上制備了含氫DLC 膜。靶材為高純度石墨( 純度99.99%) ，氬氣( 純度99.9%) 作為保護氣體。真空室抽真空度至3.3 × 10^-3 Pa 時，利用離化的氬離子對工件表面進行濺射轟擊，使其露出新鮮表面，濺射時間為20 min。最后采用純度均為99.99%的C2H2和Ar 為工作氣體，在基體上制備出厚度約為2 μm 的DLC 膜。在沉積DLC 膜之前，在基體上沉積一層過渡層，以提高薄膜和基體之間的結合強度，本文以W/WC 涂層作為過渡層。制備DLC 膜的相關參數為：真空室壓強為0.32 Pa，Ar 和C2H2流量分別為50 和130 mL /min( 標準狀態) ，負偏壓為120 V，靶功率為1.1 kW，沉積時間為6 h。詳細制備過程及DLC 膜的表面形貌及其微觀結構可參考文獻，實驗參數如表1 所示。

表1 制備DLC 膜的試驗參數

制備DLC 膜的試驗參數

1.2、DLC 膜的性能表征

　　采用UMT-Ⅱ摩擦磨損試驗機測試DLC 膜的摩擦磨損性能，摩擦配副分別為直徑9.5 mm 的GCr15鋼球和Si3N4球，運動方式為球-盤式，干摩擦工況，環境溫度為20 ～25℃，相對濕度為55% ～60% RH，載荷10 N，速度0.05 m/s，實驗時間為3600 s。真空摩擦實驗條件: 真空度為2. 2 × 10 ^{- 4} Pa。采用數顯顯微維氏硬度計測試DLC 膜的硬度( TMVS-1，北京時代之峰科技有限公司) 。采用JSM-6700F 型掃描式電子顯微鏡( SEM) 觀察摩擦配副球和DLC 膜表面磨痕微觀形貌。