深冷處理對非晶碳薄膜-高速鋼機械性能的影響及機理研究.pdf

1、非晶碳膜主要由sp2、sp3雜化碳的非晶態(tài)和微晶態(tài)結(jié)構(gòu)組合而成，按照薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，包含了類金剛石薄膜（DLC）及類石墨碳薄膜（GLC）。非晶碳膜作為一種具有代表性的理想減摩抗磨材料，兼具了石墨和金剛石的優(yōu)良特性，如：高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及生物相容性，目前應(yīng)用十分廣泛。但是，非晶碳膜中較大的殘余內(nèi)應(yīng)力及較弱的膜基結(jié)合強度，限制了其使用范圍和壽命。且目前的性能優(yōu)化方法都存在局限性，難以獲得具有良好膜基結(jié)合強

2、度且各方面性能優(yōu)異的非晶碳膜。深冷處理是一種較為成熟的材料處理技術(shù)，大量研究表明，深冷處理能使材料發(fā)生塑性變形、組織細化、產(chǎn)生相變等，已被廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷及塑料等晶體及非晶材料綜合力學(xué)特性的改善中。而將深冷處理應(yīng)用于非晶碳薄膜的研究鮮有報道。
　　本研究采用非平衡磁控濺射離子沉積技術(shù)，分別在W9高速鋼上沉積了厚度約2μm的DLC多層薄膜及厚度約為4μm的GLC多層薄膜。采用液氮對兩組膜/基復(fù)合體系進行了深冷處理，同時，針對DL

3、C薄膜/高速鋼，加入了基體深冷預(yù)處理作為對比試驗。從深冷處理前后薄膜/基體的自身組織結(jié)構(gòu)、界面微觀結(jié)構(gòu)變化出發(fā)，探討了深冷處理對DLC及GLC兩種非晶碳薄膜的膜基結(jié)合強度及摩擦性能等機械性能的影響及作用機理。深冷處理能促進W9高速鋼的馬氏體相變及分解、微細碳化物析出，使基體組織細密均勻化、晶界增多。深冷預(yù)處理后基體的殘余壓應(yīng)力從-369.20MPa提高到-446.02MPa，硬度由851.9HV提高到917.2HV。深冷處理雖對DLC薄

4、膜中C的雜化鍵無明顯影響，但深冷預(yù)處理及深冷處理均提高了復(fù)合體系的膜基結(jié)合強度。外載下薄膜斑塊脫落情況緩解，裂紋密度減少。這是因為基體深冷預(yù)處理后晶界的增多及組織的細密均勻化有利于膜基界面元素的短程擴散及膜基的機械咬合；而深冷處理改善了膜基協(xié)調(diào)性能，優(yōu)化了薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。未處理、深冷預(yù)處理、深冷處理樣品的平均摩擦系數(shù)分別為0.148、0.130、0.122，深冷處理及深冷預(yù)處理后DLC薄膜的摩擦系數(shù)減小，犁溝磨損減輕，磨損量降低，耐磨性增

5、強。主要是深冷后膜基界面的優(yōu)化，基體硬度、強度的提高及殘余壓應(yīng)力的增加，抑制了摩擦磨損中裂紋的產(chǎn)生及擴展。深冷處理后GLC薄膜/高速鋼復(fù)合體系中Cr過渡層的柱狀晶發(fā)生碎化，纖維狀結(jié)構(gòu)消除；同時Cr/C梯度層中納米晶細化，平均尺寸由20 nm減小到5 nm，組織結(jié)構(gòu)細密均勻化，達到了細晶強化的目的。未處理的GLC薄膜/高速鋼復(fù)合體系在外載下的失效為塊狀分層剝落形式，薄膜失效嚴重。深冷處理由于減少了薄膜自身失效及界面結(jié)合失效幾率，薄膜剝落得