深冷處理對(duì)DLC-合金鋼復(fù)合體系機(jī)械性能的影響及機(jī)理研究.pdf

1、類金剛石碳膜（Diamond-like carbon films，簡(jiǎn)稱DLC膜），是一種以sp3鍵和sp2鍵雜化形式結(jié)合的非晶碳膜，作為新型的硬質(zhì)薄膜材料具有一系列優(yōu)異的性能，廣泛用于機(jī)械、電子、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。但是由于DLC薄膜過(guò)大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致其韌性及膜基結(jié)合強(qiáng)度較差等缺點(diǎn)，限制了其在一些大載荷條件下的應(yīng)用。為進(jìn)一步提高DLC薄膜的使用性能，目前科研人員主要采用改變工藝參數(shù)、摻雜第三元素、引入中間過(guò)渡層或進(jìn)行退火后處理

2、等方式來(lái)改善DLC薄膜的機(jī)械性能。但是，各類薄膜改性工藝都存在各自的局限性，難以獲得具有高硬度、強(qiáng)韌性、良好附著力和高耐磨性等綜合性能較好的DLC薄膜材料。大量研究結(jié)果表明，深冷處理能夠顯著提高金屬基體材料的硬度、韌性和耐磨性等力學(xué)性能，特別是，深冷處理能使高速鋼等合金鋼材料發(fā)生馬氏體相變、組織細(xì)化和微細(xì)碳化物擴(kuò)散析出，但是以這類合金鋼為襯底的膜基復(fù)合體系的深冷研究卻鮮有報(bào)道。因此，深冷處理對(duì)DLC薄膜或DLC薄膜/基體復(fù)合體系將會(huì)產(chǎn)生

3、怎樣的影響，或者說(shuō)對(duì)高速鋼等合金鋼的那些影響機(jī)制是否同樣適用？是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。
　　本文采用非平衡磁控濺射技術(shù)在W9高速鋼以及304不銹鋼的合金鋼基體上鍍厚度2μm的DLC薄膜后分別進(jìn)行兩種類型的深冷處理工藝路線，根據(jù)深冷處理對(duì)DLC/合金鋼復(fù)合體系機(jī)械性能影響的各自規(guī)律與特點(diǎn)，本文分別探討研究了深冷處理對(duì)DLC/W9高速鋼的膜基結(jié)合強(qiáng)度和DLC/304不銹鋼的摩擦磨損性能的影響狀況及作用機(jī)理。研究結(jié)果表明：⑴深冷30h處理

4、后，W9高速鋼基體上的DLC薄膜納米硬度增加約20％，這是因?yàn)樯罾涮幚韺?duì)DLC薄膜組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了微細(xì)化與致密化作用。同時(shí)，深冷處理之后DLC薄膜/W9高速鋼的洛氏壓痕邊緣薄膜的脫落明顯減少和膜基結(jié)合強(qiáng)度提高，深冷處理使DLC薄膜/合金鋼基體復(fù)合體系的抵抗大載荷壓入形變能力得到增強(qiáng)。⑵深冷30h處理后，DLC薄膜在W9高速鋼基體上的附著力約由1.1N增至1.5N，以及基體組織結(jié)構(gòu)被細(xì)化和膜基界面處基體表層的碳含量明顯增加。這是由于深冷處理

5、使淬火態(tài)高速鋼基體發(fā)生馬氏體相變和馬氏體細(xì)化分解，促使基體晶界增多，為深冷回溫階段DLC薄膜中的C元素?cái)U(kuò)散至基體表層提供更多的短程通道和沿晶界偏聚的場(chǎng)所，同時(shí)形成對(duì)基體具有釘扎效應(yīng)的碳化物從而提高膜基結(jié)合力。⑶深冷處理、退火處理以及深冷+退火的復(fù)合處理均不同程度地改善了DLC薄膜/304不銹鋼的摩擦磨損性能，都使DLC薄膜的摩擦系數(shù)和磨損體積減小，單一的深冷處理表現(xiàn)尤佳。這是因?yàn)槿N處理工藝均能改善DLC薄膜的斷裂韌性、降低薄膜表面粗糙

6、度，但只有單一的深冷處理不降低反而提高DLC薄膜的硬度且使其獲得最佳的潤(rùn)滑性和最高的硬彈比，這是其他方法所不能達(dá)到的。⑷深冷處理、退火處理以及深冷+退火的復(fù)合處理均能對(duì)復(fù)合體系殘余應(yīng)力進(jìn)行有效的調(diào)控，但退火工序常以犧牲體系硬度為代價(jià)。不過(guò)相比于單一的深冷處理而言，退火處理以及深冷+退火的復(fù)合處理能使DLC薄膜的斷裂韌性變得更佳，適當(dāng)彌補(bǔ)了降低DLC薄膜硬度過(guò)大而對(duì)DLC薄膜耐磨損性能的負(fù)面影響，但是仍在DLC薄膜摩擦潤(rùn)滑特性的改善方面要