靶電流對(duì)磁控濺射減摩復(fù)合鍍層組織與性能的影響*

郭巧琴，李建平

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安 710021)

?

靶電流對(duì)磁控濺射減摩復(fù)合鍍層組織與性能的影響*

郭巧琴，李建平

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安 710021)

摘要：目前我國(guó)濺鍍軸瓦依賴進(jìn)口.采用非平衡磁控濺射在軸承合金表面制備了AlSn20/C復(fù)合鍍層，分析了碳靶電流的改變對(duì)軸承合金表面復(fù)合鍍層的表面形貌、硬度、耐蝕性、膜基結(jié)合力以及摩擦系數(shù)等的影響.研究結(jié)果表明：當(dāng)碳靶電流在1.0～1.2 A時(shí)，非平衡磁控濺射AlSn20/C復(fù)合鍍層；當(dāng)碳靶電流為1.0 A 時(shí)，鍍層表面組織均勻，鋁原子、錫原子和碳原子達(dá)到最佳匹配；當(dāng)碳靶電流在1.0～1.2 A時(shí)，鍍層硬度與碳靶電流成反比，當(dāng)其為1.0 A時(shí)，鍍層硬度最高為601 HV0.025，結(jié)合力最高可達(dá)33 N，鍍層的摩擦系數(shù)最低達(dá)到 0.12.

關(guān)鍵詞：AlSn20/C復(fù)合鍍層；硬度；結(jié)合力；摩擦系數(shù)

軸瓦是發(fā)動(dòng)機(jī)中非常重要的零部件，隨著高速高載柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，對(duì)軸瓦的耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度提出更高要求，傳統(tǒng)軸承已不能滿足使用需求，要求其性能指標(biāo)和機(jī)械特性須有更大的改進(jìn)[1-2].文獻(xiàn)[3]通過(guò)磁控濺射技術(shù)制備了AlSn20鍍層，該鍍層具有特殊組織結(jié)構(gòu)，有較高抗疲勞強(qiáng)度.但是，該鍍層摩擦系數(shù)相對(duì)較高(約為0.4)，而對(duì)于滑動(dòng)軸承，要求具有較小的摩擦系數(shù)，其值越小，軸瓦使用壽命越高[4].文獻(xiàn)[5-8]研究并分析了類石墨鍍層的自潤(rùn)滑性和石墨在軸承中的減摩作用，研究發(fā)現(xiàn)雖然石墨可以降低軸承的摩擦系數(shù)，但是其韌性及抗疲勞性不足，不能完全滿足軸瓦的使用要求.

因此，本文針對(duì)軸瓦的研究現(xiàn)狀以及碳膜的優(yōu)點(diǎn)，利用磁控濺射可以多組元摻雜的優(yōu)點(diǎn)，在AlSn20鍍層中摻雜碳元素，形成AlSn20/C復(fù)合鍍層，進(jìn)一步降低濺鍍軸瓦的摩擦系數(shù)，從而提高其使用壽命，為采用磁控濺射離子鍍技術(shù)制備軸瓦奠定研究基礎(chǔ).

1試驗(yàn)材料與方法

基體材料為AlZn4.5Mg軸承合金，其規(guī)格為?40 mm ×5 mm.鍍層制備采用UDP450型非平衡磁控濺射鍍離子鍍膜設(shè)備制備AlSn20/C鍍層，如圖1所示.采用2個(gè)Al靶、1個(gè)Sn靶和1個(gè)C靶的4靶配置.鍍前試樣首先用砂紙進(jìn)行逐級(jí)預(yù)磨，隨后拋光處理至鏡面，超聲清洗15 min后吹干放入真空腔.碳靶電流分別為0 A、1.0 A、1.1 A和1.2 A時(shí)，進(jìn)行AlSn20/C鍍層鍍膜處理.

圖1　設(shè)備真空腔示意圖Fig.1　The schematic diagram of equipment vacuum chamber

采用HVS-1000維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量維氏顯微硬度.載荷為25 g，保壓時(shí)間為15 s.每個(gè)基體上取三個(gè)點(diǎn)測(cè)其硬度，取其平均值.膜基臨界載荷采用WS-2005型涂層附著力劃痕儀進(jìn)行測(cè)量,最大加載載荷為100 N，加載速率為100 N·min-1.鍍層摩擦磨損性能采用自制球-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25±3 ℃，加載載荷為20 N，相對(duì)滑動(dòng)速度為382 mm·s-1，測(cè)試時(shí)間為30 min.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1AlSn20/C鍍層表面形貌分析

圖2為碳靶電流分別為0 A、1.0 A、1.1 A和1.2 A 時(shí)鍍層的表面形貌.由圖2可看出，當(dāng)碳靶電流為0 A時(shí)，鍍層即AlSn20鍍層表面主要由鋁相和錫相組成，且錫相在鍍層表面呈大塊團(tuán)聚狀.當(dāng)碳元素?fù)诫s到AlSn20鍍層時(shí)，且碳靶電流在1.0～1.2 A時(shí)，鋁、錫和碳混合均勻，可以看出錫相尺寸明顯減小.當(dāng)碳靶電流為1.0 A時(shí)，鍍層表面平整，成分均勻，隨著碳靶電流的增大，錫相的尺寸逐漸增大，鍍層表面相對(duì)疏松粗糙，局部出現(xiàn)間隙和孔洞.這是由于鋁原子和碳原子的原子半徑均小于錫原子，因此，在沉積的過(guò)程中，錫含量有限，僅為20%.因此，部分碳原子和鋁原子作為溶質(zhì)原子固溶到溶劑原子錫中，當(dāng)碳靶電流較小時(shí)，錫相、鋁相和石墨相有相對(duì)均勻的混合，隨碳靶電流增大，錫原子來(lái)不及遷移，易發(fā)生偏聚，形成較大錫塊[9].

2.2AlSn20/C復(fù)合鍍層硬度分析

不同碳靶電流下，鍍層硬度曲線如圖3所示.由圖3可知，碳靶電流在0～1.2 A范圍時(shí)，隨碳靶電流增大，鍍層硬度呈先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)碳靶電流為0 A時(shí)，AlSn20鍍層的硬度值為220 HV0.025;當(dāng)碳靶電流為1.0 A時(shí)，沉積的鍍層獲得最高的硬度值601 HV0.025;當(dāng)碳靶電流為1.2 A時(shí)，沉積的鍍層的有最低硬度值550 HV0.025.鍍層的組織結(jié)構(gòu)、成分和內(nèi)應(yīng)力影響鍍層的硬度.隨C靶電流增大，濺射能量提高，真空腔中單位時(shí)間內(nèi)沉積到工件的粒子數(shù)量隨之增多.從而鍍層表面原子的擴(kuò)散能力提高，有利于促進(jìn)鍍層中島的合并和組織細(xì)化[10-11].另外，“陰影效應(yīng)”是導(dǎo)致鍍層表面粗糙化的一個(gè)主要原因，也是鍍層組織中含有大量孔洞的最根本原因，導(dǎo)致鍍層硬度降低.

2.3AlSn20/C復(fù)合鍍層結(jié)合力分析

不同碳靶電流與鍍層的結(jié)合力的關(guān)系曲線如圖4所示.當(dāng)碳靶電流為0 A時(shí)，鍍層的膜基結(jié)合力為34 A;碳靶電流為1.0 A時(shí)，膜基結(jié)合力為33 N;而當(dāng)C靶電流為1.2 A時(shí),膜基結(jié)合力僅為16 N.由此可見(jiàn)，隨著C靶電流的增大，鍍層的膜基結(jié)合力減小，分析其原因是C靶電流較高時(shí)，C原子在基片表面來(lái)不及擴(kuò)散，易形成明顯界面，造成膜基結(jié)合力較低[12].

圖2　不同碳靶電流下鍍層的表面SEM形貌Fig.2　The SEM surface morphology of the coatings at different carbon target current

圖3　鍍層硬度與碳靶電流的關(guān)系曲線Fig.3　The relation curve between coating hardness and carbon target current

圖4　結(jié)合強(qiáng)度與碳靶電流的關(guān)系曲線Fig.4　The relation curve between coating bond strength and carbon target current

2.4AlSn20/C復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)分析

鍍層的摩擦系數(shù)與碳靶電流關(guān)系如圖5所示.

圖5　摩擦系數(shù)與碳靶電流的關(guān)系曲線Fig.5　The relation curve between coating friction coefficient and carbon target current

由圖5可知，當(dāng)C靶電流在0～1.2 A時(shí)，其鍍層摩擦系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì).當(dāng)碳靶電流為0 A時(shí)，鍍層即AlSn20的摩擦系數(shù)為0.35.當(dāng)碳靶電流為1.0 A時(shí)，AlSn20/C鍍層摩擦系數(shù)為0.12，隨C靶電流增大到1.2 A時(shí)，摩擦系數(shù)增大到0.25.說(shuō)明碳元素的引入可以降低AlSn20鍍層的摩擦系數(shù)，但是隨碳靶電流增大，AlSn20/C鍍層摩擦系數(shù)反而增大.由于AlSn20中摻雜碳元素后，在摩擦過(guò)程中碳膜和偶件的摩擦面之間會(huì)形成低剪切強(qiáng)度轉(zhuǎn)移層,導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低.另外，由于陰影效應(yīng),使鍍層表面變得粗糙,鍍層摩擦系數(shù)也隨之增大[13].

3結(jié) 論

1) 碳靶電流在1.0～1.2 A時(shí)，非平衡磁控濺射AlSn20/C復(fù)合鍍層，當(dāng)碳靶電流為1.0 A 時(shí)，鍍層表面組織組織均勻，鋁原子、錫原子和碳原子達(dá)到最好的匹配.

2) 碳靶電流在1.0～1.2 A時(shí)，非平衡磁控濺射AlSn20/C復(fù)合鍍層碳靶電流與鍍層的硬度成反比，在碳靶電流為1.0 A時(shí)，沉積的復(fù)合鍍層獲得最高的硬度值601 HV0.025.

3) 碳靶電流在1.0～1.2 A時(shí)，非平衡磁控濺射AlSn20/C復(fù)合鍍層，當(dāng)碳靶電流為1.0 A 時(shí),鍍層與基體的結(jié)合力最高可達(dá)33 N.

4) 碳靶電流在1.0～1.2 A時(shí)，非平衡磁控濺射AlSn20/C復(fù)合鍍層，當(dāng)碳靶電流為1.0 A 時(shí)，鍍層的摩擦系數(shù)最低達(dá)到0.12.

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]徐濱士，劉世參.表面工程新技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

XU Binshi,LIU Shisen.New Technology of Surface Engineering[M].Beijing:National Defence Industry Press,2002.(in Chinese)

[2]郭巧琴，蔣百靈，李建平.靶電流對(duì)AlSn20/C鍍層耐蝕性的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012,22(8)：2289.

GUO Qiaoqin,JIANG Bailing,LI Jianping.The Influence of Target Current on AlSn20/C Coating Corrosion Resistance[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,22(8)：2289.(in Chinese)

[3]郭亞軍.軸瓦磁控濺射鍍膜技術(shù)及其材料力學(xué)性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2000.

GUO Yajun.Research on Bearing Magnetron Sputtering Technology and Their Materials Mechanical Properties[D].Harbin:Harbin Engineering University,2000.(in Chinese)

[4]段冰.石墨靶電流對(duì)磁控濺射類石墨鍍層結(jié)構(gòu)與性能的影響[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.

DUAN Bing.The Influence of Carbon Target Current on Microstructure and Properties of Graphite-like Coatings Prepared by Magnetron Sputtering[D].Xi’an:Xi’an University of Technology,2008.

(in Chinese)

[5]鄭彬娜.基體偏壓對(duì)GLC鍍層微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.

ZHEN Binna.The Influence of Substrate Bias Voltage on Microstructure and Properties of GLC [D].Xi’an:Xi’an University of Technology,2008.(in Chinese)

[6]宋春磊，趙濱海，俞偉.軸承的固體潤(rùn)滑及其發(fā)展[J].中國(guó)機(jī)電工業(yè),2003(15):34.

SONG Chunlei,ZHAO Binhai,YU Wei.Solid Lubrication of the Bearing and Its Development[J].China Machinery & Electric Industry,2003(15):34.

(in Chinese)

[7]白秀琴．低溫氣相沉積薄膜及其摩擦學(xué)性能研究[D].武漢：武漢材料保護(hù)研究所，2006.

BAI Xiuqin.Low Temperature Vapor Deposition Film and Its Tribological Performance Research[D].Wuhan:Wuhan Institute of Materials Protection,2006.(in Chinese)

[8]MATTOX D M.Ion Plating-Past,Present and Future[J].Surface & Coatings Technology,2000,S 133-134(00):517.

[9]MATOSSIAN J,WEI R,VAJO J,et al.Plasma-enhanced,Magnetron-sputtered Deposition (PMD) of Materials[J].Surface & Coatings Technology,1998,108:496.

[10]BULL S J.Modelling the Hardness Response of Bulk Materials,Single and Multilayer Coatings[J].Thin Solid Films,2001,398(2):291.

[11]BUGAEV S P,PODKOVYROV V G,OSKOMOV K V,et al.Ion-assisted Pulsed Magnetron Sputtering Deposition of Ta-C Films[J].Thin Solid Films,2001,389(1/2):16.

[12]COOKE K E,BAMBER M,BASSAS J,et al.Multilayer Nitride Coatings by Closed Field Unbalanced Magnetron Sputter Ion Plating[J].Surface & Coatings Technology,2003,162(2):276.

[13]蘇陽(yáng).含量對(duì)磁控濺射Cr/C鍍層性能的影響[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.

SU Yang.The Influence of Content on Properties of Cr/C Coatings Deposited by Magnetron Sputtering [D].Xi’an:Xi’an University of Technology,2008.(in Chinese)

(責(zé)任編輯、校對(duì)潘秋岑)

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.009

*收稿日期：2015-11-09

基金資助：陜西省西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1442(2))；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JQ2-5027)

作者簡(jiǎn)介：郭巧琴(1979-)，女，西安工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)椴牧媳砻娓男?E-mail:guoqiaoqin66@126.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號(hào)：TB43A

文章編號(hào)：1673-9965(2016)06-0481-04

Influence of Target Current on the Microstructure and Properties of the Antifriction Composite Coatings Prepared by Magnetron Sputtering

GUOQiaoqin,LIJianping

(School of Materials and Chemical Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:The bearing prepared by magnetron sputtering depends on importing.The AlSn20/C composite coatings on bearing alloy were prepared by magnetron sputtering.The influence of graphite target current on the microstructure，hardness,corrosion resistance,bonding force and friction coefficient was analyzed.The results show:While the graphite target current is 1.0 A,the surface structure is uniform,the atoms of Al and Sn match well.The hardness of the coating is inversely proportional to the graphite target current,in the scope of 1.0～1.2 A.While the graphite target current is 1.0 A,its hardness is the hardest,i.e 601 HV0.025,the bonding force between coating and matrix is 33 N,and the friction coefficient achieves 0.12.

Key words:AlSn20/C composite coating;hardness;bonding force;friction coefficient