磁控溅射法制备碳掺杂氮化物系硬质镀层组织结构与摩擦学性能研究

摘要

磁控溅射离子镀技术制备的氮化物系硬质镀层具有较高的硬度和良好的热稳定性而被广泛应用于有耐磨要求的工模具表面以延长其使用寿命。但是，氮化物系硬质镀层对常用金属的摩擦系数较大，不采取适当的润滑措施将不能满足高速相对运动系统摩擦副之间低摩擦力的性能要求，并且，随着装配精度等级的提高和相对运动速度的增大，液体润滑介质愈来愈难以在摩擦副表面形成连续膜而不能起到润滑效果。因此，采用磁控溅射离子镀技术易于实现多元素掺杂的工艺优点，通过选择具有减摩特性的物质控制掺入氮化物镀层，进而制备出既能保持氮化镀层高硬度的性能优点、又具有较低摩擦系数的自润滑镀层便成为近年来薄膜制备领域的一个研究热点。
　　 基于此，本文以常用的固体润滑材料石墨为碳源，采用磁控溅射离子镀技术制备出了掺杂碳主要以非晶态结构弥散分布于氮化物基体或与氮化物呈纳米层状结构交替分布的掺碳改性类氮化物镀层。综合运用材料学、摩擦学等理论以及XRD、TEM、AFM等分析手段研究了掺碳对氮化物系硬度镀层微观组织结构与摩擦学性能的影响机制及规律，得到如下主要研究结果：
　　 研究了CrN和TiN两类单金属氮化物镀层中掺入碳元素时其组织结构的变化规律，试验发现：由于TiN和TiC晶体结构类型相同、点阵常数相近，在此氮化物镀层中掺入碳时，将有少量的C原子部分置换该氮化物晶体中的N原子而形成Ti(C，N)相，使原TiN的衍射峰发生偏移，而其余C原子则以非晶态结构弥散分布于氮化物基体或与氮化物形成交替分布的纳米层状结构；另一方面，由于CrN和CrC的晶体结构类型不同，点阵常数差异较大，C原子难以置换CrN晶体中的N原子而形成Cr(C，N)相，TEM观察到了少量的微晶碳化物镶嵌于氮化物基体之中，而大量的C原子则以非晶态结构弥散分布于氮化物基体或与氮化物形成交替分布的纳米层状结构；C原子是以非晶态结构弥散分布于氮化物基体还是与氮化物形成交替分布的纳米层状结构取决于碳元素的掺入总量。
　　 研究了掺碳对氮化物镀层微观组织结构、力学性能及摩擦学性能的影响，结果表明：合适的掺碳量能明显减小镀层的晶粒，降低镀层表面粗糙度，随着掺碳量的增加，镀层由晶态向非晶态转变，并且镀层由典型的柱状晶体结构逐渐转变为纳米多层结构；总体上看，掺碳能不同程度提高氮化物镀层的硬度，但是随着掺碳量的增加，镀层的韧性变差；掺碳能明显减小镀层的摩擦系数，随着掺碳量的增加，镀层的摩擦系数逐渐减小，并且镀层的磨损率均有不同程度的降低。借助XPS对于镀层中碳元素的化学态进行了分析，结果表明：镀层中的碳元素主要以单质碳和碳化物的形式存在，其中以sp2键形式存在的单质碳占了相当大的比例，以sp2键形式存在的单质碳具有跟石墨类似的结构和特性，随着镀层的磨损，可为摩擦副表而提供转移膜，能起到减摩的作用。
　　 运用摩擦学理论，借助光学显微镜和能谱仪对于纯氮化物镀层及掺碳改性氮化物镀层的表面磨痕形貌及成分进行分析，结果表明：对于纯金属氮化物镀层，其磨损机制主要为黏着磨损，随着掺碳量的增加，其磨损机制逐渐转变为磨粒磨损。
　　 为检验掺碳改性氮化物镀层的实际应用效果，针对滚动轴承滚珠的服役环境，本文将综合性能较好的CrCN镀层应用于6204轴承滚珠表面，经轴承试验机测试，与未镀膜轴承相比，镀膜轴承的振动性能、温升率、热稳定性、承载能力、耐磨性等都有很大改善。