重載、高速齒輪用a-C-WC薄膜的制備及摩擦學性能研究.pdf

1、類金剛石薄膜（diamond-like carbon films,簡稱 DLC薄膜）由于其高的硬度、良好的化學穩(wěn)定性、抗腐蝕性能和優(yōu)異的摩擦磨損性能而廣泛用作固體潤滑防護涂層。然而其在高速、重載及高溫等苛刻工況下易發(fā)生開裂、剝落、摩擦系數升高而使薄膜潤滑防護失效。在DLC薄膜中摻入具有高硬度、良好紅硬性及耐磨性的WC能顯著改善薄膜的機械性能及摩擦學性能，但是復合薄膜中WC相含量對其機械性能、物相組成、微觀結構及摩擦學性能，尤其是高溫摩擦

2、學性能的影響規(guī)律尚不明確，有待進一步研究。本文利用非平衡磁控濺射技術共濺射C靶與WC靶并改變WC靶濺射功率的方法，在齒輪鋼基底表面制備了不同WC相含量的a-C/WC薄膜，系統(tǒng)考察了WC相含量對復合薄膜微觀結構、機械性能和重載、高速條件下摩擦學性能的影響，并探討了a-C/WC薄膜在常溫和高溫下的減摩抗磨機理。
　　本研究主要內容包括：⑴所制備的a-C/WC薄膜中WC相與非晶C相在納米尺度交替生長，形成“超晶格”結構，而且WC相均以β

3、-WC1x納米晶的形式鑲嵌于非晶的碳基體中。隨著WC相含量的增加，“超晶格”結構更加顯著。這種納米尺度的多層結構有效抑制了薄膜的柱狀結構生長，使得薄膜結構更加致密，隨著WC相含量的增加，薄膜從明顯的柱狀結構向無序的“玻璃態(tài)”轉變。⑵DLC薄膜中WC相的摻入在一定程度上降低了薄膜的硬度，但另一方面，兩相復合的“超晶格”結構能夠有效降低薄膜內應力并能改善其韌性，因此隨著WC相含量的增加，薄膜內應力逐漸降低，其劃痕結合力逐漸上升。而薄膜的H/

4、E值則在W含量為5.43 at.％時達到最大值，結合壓痕測試結果可知：此時薄膜韌性達到最優(yōu)狀態(tài)。⑶在25℃干摩擦條件下，當W含量低于5.43at.%時，a-C/WC薄膜表現出較低的摩擦系數，且在W含量為5.43at.%時達到最低的摩擦系數（約0.05）與最小的磨損率。當薄膜中W含量超過5.43at.%時，薄膜摩擦系數上升、磨損加劇，表明過多的WC相無益于薄膜摩擦學性能的改善；在25℃油潤滑條件下，薄膜摩擦學性能仍在W含量為5.43at.

5、%時達到最佳。⑷在200℃干摩擦條件下，當W含量低于5.43at.%時，a-C/WC薄膜表現出異常高的摩擦系數，薄膜完全不具潤滑功能。隨著WC相含量的增加，其摩擦系數得到顯著改善，并在W含量為5.43at.%時達到最小值（約0.28），更高的WC相含量無益于摩擦系數的降低，但卻能使摩擦系數更加穩(wěn)定。然而，a-C/WC薄膜的磨損率則隨著WC相含量的增加而逐漸上升；而在200℃油潤滑條件下，a-C/WC薄膜摩擦系數隨WC相含量的變化無明顯規(guī)