磁控濺射離子鍍沉積C-Cr鍍層的結構與性能研究.pdf

1、碳鍵結構以sp2雜化為主的類石墨鍍層雖具有高硬度、低內應力以及在大氣環(huán)境中優(yōu)越的摩擦學性能，但質脆易裂；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會表現(xiàn)出大于0.7的摩擦系數。針對上述兩種鍍層具有廣泛應用前景但實際應用受到限制這一工程學問題，本文利用磁控濺射離子鍍技術易于實現(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現(xiàn)對沉積速率和摻鉻含量的控制參數等不同制備工藝對該鍍層的微觀結構和性能的影響規(guī)律及影響機理，并探討了不同C/Cr比鍍層可能具有的應用推廣價值。本文所取得的主要研究結果如下：
　　 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構逐漸向細密的纖維狀結構演變，隨后又會轉變?yōu)槭杷傻膱F粒狀結構，同時該鍍層的硬度和臨界結合強度均先增大后減小。分析結果表明，增大脈沖寬度提高了

3、單位時間內轟擊鍍層表面的離子的數量和能量，提高了鍍層的形核密度，從而帶來了鍍層結構和性能的顯著變化，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構首先向細密的纖維狀結構演變，隨后亦轉變?yōu)槭杷傻膱F粒狀結構。同時，鍍層的硬度、內應力和結合強度伴隨著鍍層的sp3雜化碳含量的增減先增大，后減小，其摩擦因數和比磨損率則先降低，后升高。采用適當的襯底偏壓有利于獲得結構致密的摻鉻類石墨鍍

4、層，有利于提高鍍層的耐磨性。實驗結果表明，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，鍍層的硬度升高，結合強度下降，鍍層的摩擦因數和比磨損率則呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。當石墨靶電流較小時，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)出納米多層膜的結構特征。鉻含量進一步增大時，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，但鍍層的結合強度提高。當富鉻層的厚度超過3nm后，鍍層的結合強度開始下降。
　　 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。碳在鍍層中的價鍵結構以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，而摩擦因數和比磨損率均先降低后升高。同時，鍍層由均勻的非晶態(tài)逐步轉變?yōu)橛蓳駜?yōu)生長的鉻納米晶與非晶碳構成的多層混合結構。當鉻含量在1.7at.％左右時，鍍層的結構致密，表面光滑，硬度適中(22.5～19.8

7、GPa)，呈現(xiàn)最小的摩擦因數(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，同時也受到sp3雜化碳含量和鍍層內應力等因素的影響。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)生石墨化和形成轉移膜是類石墨鍍層主要的減摩耐磨機制。在類石墨鍍層中適量摻鉻，能進一步提高sp2雜化碳在鍍層中的

8、含量及其有序程度，同時降低了鍍層硬度，形成適當的含鉻濃度和梯度漸變調制結構，促進了石墨化轉變和轉移膜的形成，因而能進一步優(yōu)化摻鉻類石墨鍍層的摩擦學性能。
　　 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，進一步增大碳含量又會造成鍍層的熱穩(wěn)定性降低。分析結果表明，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)轉變；鍍層中碳化物減緩鍍層氧化進程并與碳元素高溫氧化加快鍍層疏松失效兩反應相互競爭，導致Cr/