摻雜非晶碳膜熱磨損性能評定及磨損行為研究.pdf

1、為準確評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，澄清磨損性能評定方法與實際服役熱磨損進程出入程度不同而產(chǎn)生的評定結(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照組樣晶，在接觸載荷、磨損時間、線速度相同的條件下，借助更接近實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方法，檢測薄膜在不同溫度條件下的熱磨損性能，試圖在準確評定摻雜非晶碳膜實際熱磨損性能及服役溫度極限的同時，澄清不同方法評定結(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：
　　（1）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)氧化處理再進行常溫磨損試驗的評定方法在其實施過程中，薄膜先后經(jīng)歷靜態(tài)氧化和磨損升溫過程，與直接熱磨損評定方法經(jīng)歷的動態(tài)氧化-磨損競爭過程相比更為溫和，更有利于氧化膜的充分形成，但后者更接近鍍膜工件實際服役磨損工況，因

4、而前者的評定結(jié)果在各種條件下均形成對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時，測定的摩擦系數(shù)比對應(yīng)溫度預(yù)氧化處理后常溫磨損時測定的摩擦系數(shù)高0.3～0.4左右、體積比磨損率高1-2個數(shù)量級。因而，綜合減摩性能和磨損程度評定的薄膜服役溫度極限，后一種評定方法亦低50-100℃。但相對而言，直接熱磨損評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磨損階段，而Mo、Si摻雜可延緩這一發(fā)展進程，提高非晶碳膜進入后兩個磨損階段的起始溫度，其中Mo摻雜可使非晶碳膜進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方法對其熱磨損性能的評定結(jié)果存在一定程度的高估，但其趨勢與更客觀可信的直接熱磨損試驗結(jié)果基本一致，可在依據(jù)直接熱磨損試驗結(jié)果做出修正后作為低成本評定方法使用。非晶碳膜隨服役溫度升高，主要經(jīng)歷無氧化穩(wěn)定磨損、輕微氧化磨損和劇烈氧化異常磨損三個磨損階段，而Mo、Si摻雜的主要作用機制