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Cr掺杂碳基离子镀层的结构调控与摩擦学性能研究

【摘要】:谐波减速器这类精密机械传动系统中,由于相对运动部件之间几乎是零间隙装配,传统的通过形成连续油膜来降低摩擦系数、进而达到减少磨损的“引入润滑介质实现减摩延寿”的设计制造理念已很难实现,因润滑剂污染而必须以干摩擦环境为服役条件的“无润滑机械零部件的减摩延寿”同样成为难题,而通过摩擦系数低至近似于润滑介质的自润滑镀层的制备以实现精密机械基础件的减摩延寿已成为先进制造业的共识。碳基离子镀层因其制备工艺简单、沉积温度低及优异的减摩耐磨特性而成为实现精密机械基础件减摩延寿的有效途径。但是,纯碳镀层沉积过程中较大的内应力积累,不仅削弱了镀层与基体的结合强度、导致镀层在服役过程早期剥落失效,同时,较大的内应力会引发沉积与剥离平衡,难以制备出厚度较大的纯碳镀层。针对以上碳基离子镀层的工艺与性能缺憾,本文分别于直流和低频高功率脉冲两种电场环境下,通过Cr元素掺杂量的调控、反应性气体N2及辅助碳源CH4气体的引入,系统研究了不同电场环境下的C靶电流密度、Cr及CrN的晶化特性、CH4离化所得的碳源增量对Cr掺杂碳基离子镀层沉积过程、微观结构以及摩擦学性能的影响,得到如下结论:Cr掺杂可诱发碳基离子镀层由完全的非晶态结构向镶嵌有纳米晶的“纳米晶区+非晶基质”结构转变。随着Cr含量的增大,碳基离子镀层中的sp2杂化键含量增加,sp2团簇结构有序度升高,sp3杂化键含量减少,sp3/sp2比值持续减小,导致镀层的硬度降低。随着Cr含量的增大,碳基离子镀层的内应力显著降低,摩擦系数和比磨损率均先减小后增大,当Cr含量为2.0at.%时,镀层具有最低的摩擦系数0.06和最小的比磨损率4.6×10-17m3/Nm。说明微量掺杂Cr元素能够显著降低碳基离子镀层的内应力,有效地改善了镀层的摩擦学性能。引入反应性气体N2生成CrN纳米晶强化相的碳基离子镀层的厚度和沉积速率均随着C靶电流密度的增大而增大,Cr-C键含量逐渐增大,Cr-N键含量逐渐减小,sp2杂化键含量增加,sp3杂化键含量先增加后减少,镀层的硬度和弹性模量持续增大,最大值分别为22GPa和158GPa。内应力随着C靶电流密度的增大先减小后增大,在C靶电流密度为0.022A/cm2时,内应力的最小值为0.308GPa,此时镀层的结合力为60N。另外,镀层的摩擦系数和比磨损率均随着C靶电流密度的增大先减小后略微增大,当C靶电流密度为0.033A/cm2时,摩擦系数和比磨损率最小,分别为0.14和1.3 × 100-16m3/Nm,镀层的摩擦学性能最优。引入反应性气体N2制备的以CrN纳米晶为强化相的碳基离子镀层的硬度和结合力有明显的提升,镀层的承载能力显著增强。随着CH4气流量的增大,碳基离子镀层的厚度和沉积速率显著增大,实现了 CH4离化增强碳源辅助碳基离子镀层的高效沉积。随着CH4气流量的增大,sp2杂化键含量减少,sp3杂化键含量增加,sp3/sp2的比值增大,使镀层的硬度随之增大。镀层的内应力随CH4气流量的增大先减小后增大,当CH4气流量为6sccm时,内应力的最小值为0.332GPa,此时镀层白的结合力的最大值为53N。当CH4气流量为6SCccm时,碳基离子镀层高硬度和低摩擦系数共同决定了最小的比磨损率。说明引入适量的CH4气体为辅助碳源能够显著提高碳基离子镀层的沉积速率和厚度,提高镀层的耐磨性。直流电场模式下,碳基离子镀层为致密的纳米晶/非晶复合结构,随着C靶电流密度的增大,镀层的沉积速率和sp2杂化键含量持续增大,sp3杂化键含量先增加后减少,sp3/sp2的比值先增大后减小,当C靶电流密度为0.033A/cm2时,镀层的最大值为21GPa。镀层的内应力、摩擦系数和比磨损率均随着C靶电流密度的增大先减小后增大,当C靶电流密度为0.033 A/cm2时,镀层具有最低的内应力0.14GPa、最高的结合力39N、最小的摩擦系数0.06和最小的比磨损率4.4× 10-17m3/Nm。低频高功率脉冲电场模式下,当C靶峰值电流密度为0.074A/cm2时,碳基离子镀层有最高的硬度12GPa、最小的内应力0.12GPa、最高的结合力52N、最小的摩擦系数0.05以及有最小的比磨损率4.0×10-17m3/Nm。说明适当提高C靶电流密度能够优化碳基离子镀层的力学和摩擦学性能。

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