摻雜非晶碳膜熱磨損性能評(píng)定及磨損行為研究.pdf

1、為準(zhǔn)確評(píng)定類石墨非晶碳膜的熱磨損性能水平和非Cr組元摻雜的遲滯氧化作用效果，澄清磨損性能評(píng)定方法與實(shí)際服役熱磨損進(jìn)程出入程度不同而產(chǎn)生的評(píng)定結(jié)果偏差，探討多元摻雜類石墨非晶碳膜的熱磨損行為及其失效主導(dǎo)因素和機(jī)制，本文采用磁控濺射方法制備了不同Mo、Si含量的Mo-Cr-C、Si-Cr-C三元非晶碳膜及梯度結(jié)構(gòu)、尺度相似的Cr-C二元非晶碳膜作為對(duì)照組樣晶，在接觸載荷、磨損時(shí)間、線速度相同的條件下，借助更接近實(shí)際熱磨損工況的直接熱磨損和主

2、流的高溫預(yù)氧化后常溫磨損兩種磨損試驗(yàn)方法，檢測(cè)薄膜在不同溫度條件下的熱磨損性能，試圖在準(zhǔn)確評(píng)定摻雜非晶碳膜實(shí)際熱磨損性能及服役溫度極限的同時(shí)，澄清不同方法評(píng)定結(jié)果的差異程度，并結(jié)合磨損形貌分析探討摻雜非晶碳膜的磨損失效行為及主導(dǎo)影響因素。
　　研究結(jié)果表明：
　?。?）在非晶碳膜工作層內(nèi)引入非Cr組元Mo、Si摻雜，可有效提高其極限服役溫度及熱磨損性能水平。與Cr-C二元對(duì)照組樣晶相比，Mo-Cr-C和Si-Cr-C薄膜的極

3、限服役溫度可由300℃左右提高到350-400℃，且在此溫度區(qū)間內(nèi)，表現(xiàn)出更佳的減摩耐磨性能，其體積比磨損率更低，摩擦系數(shù)也維持在比Cr-C二元膜0.4-0.55水平更低的0.1-0.4范圍；
　　（2）不同溫度高溫預(yù)氧化處理再進(jìn)行常溫磨損試驗(yàn)的評(píng)定方法在其實(shí)施過(guò)程中，薄膜先后經(jīng)歷靜態(tài)氧化和磨損升溫過(guò)程，與直接熱磨損評(píng)定方法經(jīng)歷的動(dòng)態(tài)氧化-磨損競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程相比更為溫和，更有利于氧化膜的充分形成，但后者更接近鍍膜工件實(shí)際服役磨損工況，因

4、而前者的評(píng)定結(jié)果在各種條件下均形成對(duì)非晶碳膜熱磨損性能及摻雜作用效果的高估。在相同的試驗(yàn)溫度下，這種高估具體表現(xiàn)為Mo-Cr-C和Si-Cr-C薄膜釆用直接熱磨損試驗(yàn)時(shí)，測(cè)定的摩擦系數(shù)比對(duì)應(yīng)溫度預(yù)氧化處理后常溫磨損時(shí)測(cè)定的摩擦系數(shù)高0.3～0.4左右、體積比磨損率高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。因而，綜合減摩性能和磨損程度評(píng)定的薄膜服役溫度極限，后一種評(píng)定方法亦低50-100℃。但相對(duì)而言，直接熱磨損評(píng)定方法確定的性能水平更為客觀可信。
　　（

5、3）隨服役溫度升高，非晶碳膜的氧化反應(yīng)程度加劇，依次經(jīng)歷無(wú)氧化穩(wěn)定磨損、輕微氧化穩(wěn)定磨損和劇烈氧化異常磨損三個(gè)磨損階段，而Mo、Si摻雜可延緩這一發(fā)展進(jìn)程，提高非晶碳膜進(jìn)入后兩個(gè)磨損階段的起始溫度，其中Mo摻雜可使非晶碳膜進(jìn)入劇烈氧化磨損階段的起始溫度由300℃左右提高到350℃以上，Si摻雜更可使這一起始溫度提高到400℃以上。因而，與Cr-C二元膜相比，Mo-Cr-C和Si-Cr-C薄膜不僅在各磨損階段具有更低的體積比磨損率水平，而

6、且顯示出更高的服役溫度極限。
　　以上研究結(jié)果表明：
　　Mo、Si摻雜可有效提高非晶碳膜的極限服役溫度以及減摩耐磨性能，而高溫預(yù)氧化后常溫磨損試驗(yàn)方法對(duì)其熱磨損性能的評(píng)定結(jié)果存在一定程度的高估，但其趨勢(shì)與更客觀可信的直接熱磨損試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可在依據(jù)直接熱磨損試驗(yàn)結(jié)果做出修正后作為低成本評(píng)定方法使用。非晶碳膜隨服役溫度升高，主要經(jīng)歷無(wú)氧化穩(wěn)定磨損、輕微氧化磨損和劇烈氧化異常磨損三個(gè)磨損階段，而Mo、Si摻雜的主要作用機(jī)制