馬氏體鋼表面磁控濺射類金剛石薄膜滾動接觸疲勞失效機理

趙鳳平,李淑欣*,蒲吉斌,王海新,蔣港輝

(1.寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211;2.中國科學院 寧波材料技術與工程研究所 海洋功能材料實驗室,浙江 寧波 315201)

軸承作為機械設備中關鍵的滾動零部件，其壽命和可靠性將直接影響整個工作系統(tǒng)的穩(wěn)定.軸承在接觸疲勞載荷下，接觸表面產(chǎn)生裂紋導致材料剝落形成微小點蝕.對失效的軸承內(nèi)圈截面分析發(fā)現(xiàn)，在亞表面分布著大量深度在1 mm以內(nèi)的微裂紋，這些微裂紋是產(chǎn)生疲勞點蝕的根源[1].因此，通過表面技術改善抗接觸疲勞和磨損性能，是提高軸承壽命的主要途徑之一[2].類金剛石(Diamond-like carbon，DLC)薄膜是一類硬度、光學、電學和摩擦學等特性類似于金剛石的非晶碳膜.具有摩擦系數(shù)低、硬度高、彈性模量大、熱導率高、熱膨脹系數(shù)小及耐磨性好等獨特的性能，能夠顯著改善材料的摩擦、磨損和疲勞行為[3-7].國內(nèi)外學者對類金剛石薄膜的摩擦學特性[8-12]做了大量工作，但對DLC薄膜接觸疲勞性能的研究工作主要集中在接觸疲勞壽命和宏觀機械性能方面[13-16]，而缺乏對微觀失效特征和機理的研究.本文作者以馬氏體鋼為試驗對象，應用Teer CF-800封閉場非平衡磁控濺射裝置制備類金剛石薄膜，使用MJP-30型滾動接觸疲勞試驗機進行滾動接觸疲勞(RCF)試驗，研究DLC薄膜樣品的滾動接觸疲勞行為及失效機理，為類金剛石薄膜在接觸疲勞等方面的應用提供理論依據(jù).

1 試驗部分

1.1 試樣與薄膜制備

試驗原材料選用GCr15軸承鋼，其熱處理工藝是在860 ℃下保溫2 h，待其全部奧氏體化后油淬至室溫，然后在160 ℃保溫1 h，得到回火馬氏體組織，化學成分(質(zhì)量分數(shù))主要為Fe，其他元素質(zhì)量分數(shù)分別為0.90% C、0.32% Mn、1.87% Cr、0.31% Si、0.02% S和0.027% P.滾動接觸疲勞試樣根據(jù)YB-T5345-2006設計，主試樣和陪試樣的直徑均為60 mm，接觸寬度為5 mm，基體試樣接觸表面的平均粗糙度Ra為0.8 μm，試樣形狀如圖1所示[17].

Fig.1 Photo of the samples in RCF for (a) substrate samples and (b) DLC film samples 圖1 RCF試驗樣品示意圖：(a)基體試樣；(b)DLC薄膜試樣

薄膜樣品制備均采用Teer CF-800封閉場非平衡磁控濺射裝置.鍍膜前所有試樣均進行機械拋光，在丙酮和無水乙醇中各超聲清洗20 min，然后用氮氣吹干以防止試樣表面污染，形成清潔的表面.清洗吹干后放入烘箱內(nèi)進行烘干，之后放入真空室.DLC薄膜沉積的詳細步驟如下：首先，預抽真空至3.0×10?3Pa以下，通入質(zhì)量分數(shù)為99.99%的氬氣，氬氣流量為30 sccm，調(diào)節(jié)脈沖偏壓電源電壓值為?500 V，進行氬等離子體對基底表面轟擊清洗30 min.其次，將偏壓調(diào)至?70 V，在基底表面沉積Cr過渡層，厚度約0.3 μm.隨后，逐漸減小Cr靶濺射功率(200～0 W)并使C靶功率(3～4 kW)與WC靶功率(100～300 W)增加至預設值，制備梯度過渡層及表面碳膜，薄膜厚度約3 μm.

1.2 薄膜性能測試

使用日立SU-5000型掃描電子顯微鏡(SEM)測定薄膜厚度并觀察薄膜的微觀結(jié)構和試樣的失效表面形貌；使用2000 micro-Raman系統(tǒng)采集薄膜的拉曼光譜；使用能譜儀(EDS)觀察DLC薄膜與基底之間的元素分布；使用劃痕試驗儀測定薄膜同基體的結(jié)合強度，劃痕載荷由0 N增至60 N，劃痕長度3 mm；采用納米壓痕試驗機對薄膜的納米硬度和彈性模量進行了測定.為減少試驗的不確定性，在不同位置進行重復測試，取平均值.

1.3 接觸疲勞試驗

采用MJP-30型滾動接觸疲勞試驗機，在油潤滑的條件下研究材料的接觸疲勞性能.最大赫茲接觸應力為1.8和2.4 GPa，滑差率為5%和15%.當被測試樣表面發(fā)生失效導致試驗機振動水平超過預設值時，試驗停止.試樣分為兩組：第一組試樣未鍍膜，為基體試樣；第二組試樣為DLC薄膜試樣.由于滾動接觸疲勞壽命存在較大的離散性，為了得到統(tǒng)計結(jié)果，在每種試驗條件下進行了3次滾動接觸疲勞試驗.試驗后，所有樣品用丙酮進行超聲波清洗，然后用電火花線切割機將試樣沿圓周和軸向方向制備成近似長方體的樣品，將切割好的樣品進行研磨并機械拋光，之后用5%硝酸酒精溶液浸泡腐蝕，腐蝕完后先用去離子水沖洗干凈，再用無水乙醇進行超聲波清洗，取出用熱風吹干，將接觸疲勞試驗后的試樣進行表面及截面的特征分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 DLC薄膜的表面與截面形貌

圖2為GCr15馬氏體鋼基體上磁控濺射的DLC薄膜微觀形貌，從圖2(a)中可以看出，薄膜表面存在少量孔隙，無明顯的未融顆粒、層間裂紋等微觀缺陷.由于基體表面不平整(Ra=0.8 μm)，致密性不夠，導致所制備薄膜表面出現(xiàn)孔隙.圖2(b)為DLC薄膜的截面形貌圖，可以看出DLC薄膜與基體的結(jié)合狀態(tài)良好，薄膜厚度約為3 μm，過渡層厚度約為0.3 μm.圖2(c)為DLC薄膜沿截面深度方向的EDS元素成分及分布信息圖，可以清晰地觀察到DLC薄膜的化學成分主要為C、Ar和W等，過渡層的主要成分為Cr.

2.2 薄膜力學性能

軸承鋼基體試樣的硬度為630±10 HV.通過納米壓痕試驗機測得DLC薄膜的納米硬度為22.4 GPa，彈性模量為257.8 GPa.圖3為納米壓痕試驗中DLC薄膜的載荷-位移曲線.在一定的硬度范圍內(nèi)，DLC薄膜抗接觸疲勞性能隨硬度的增大而升高[18].

劃痕試驗通常用于評價薄膜同基體之間的結(jié)合強度，圖4(a)示出了DLC薄膜試樣典型劃痕形貌光學顯微照片.可以看出，從劃痕開始到劃痕結(jié)束，隨著載荷的增大，表面劃痕逐漸變寬加深.如圖4(b)所示，在30 N左右劃痕內(nèi)部可以觀察到大量裂紋，但未出現(xiàn)薄膜失效跡象.在60 N高載荷作用下，劃痕末端出現(xiàn)明顯的剝落和裂紋，劃痕內(nèi)部薄膜失效，如圖4(c)所示.由上述現(xiàn)象可得出，馬氏體鋼基體表面的DLC薄膜的臨界載荷較高[19-21](大于50 N).其原因在于DLC薄膜自身硬度較高，力學性能好，且Cr過渡層具有優(yōu)異的耐磨性，同時能與馬氏體鋼基體良好的結(jié)合[21-23].高的臨界載荷有利于延緩薄膜的失效，提高薄膜的使用壽命[19].

2.3 滾動接觸疲勞性能

圖5為載荷和滑差率分別為1.8 GPa-5%、1.8 GPa-15%和2.4 GPa-15%條件下DLC薄膜和基體的接觸疲勞壽命試驗結(jié)果.每個數(shù)據(jù)點是3個試樣壽命的平均值.其中，紅色和藍色表示DLC薄膜試樣的壽命，紅色表示薄膜磨掉以后裸露基體的剩余壽命，綠色表示未鍍膜的基體試樣壽命.與基體試樣相比，DLC薄膜試樣的接觸疲勞壽命明顯提高.載荷和滑差率越大，壽命越短.同時，DLC薄膜磨損完后的剩余壽命仍比基體壽命長[13].這是由于：一方面，DLC薄膜增加了接觸表面的硬度.在一定的硬度范圍內(nèi)，接觸疲勞抗力隨硬度的增大而升高，且Cr過渡層可以作為硬支撐層，通過增加豎向載荷的承載力減小磨損深度，進而提高接觸疲勞壽命[18]；另一方面，薄膜在滾動接觸過程中形成的轉(zhuǎn)移膜具有石墨化特征，被磨損掉的石墨又填充到凹坑，起到一定的潤滑作用，從而減少磨損[16,24].

圖6(a)為所制備DLC薄膜的Raman光譜，圖6(a)中所示的不對稱的寬散射峰屬于典型的DLC薄膜的特征拉曼峰，采用Gaussian擬合技術可將其分解成兩個峰，分別為位于1 350 cm?1附近的D峰和位于1 560 cm?1附近的G峰[12,19].其中G峰的譜帶由無序的石墨產(chǎn)生，而D峰的譜帶則與細小石墨有關[24].DLC主要由金剛石鍵(sp3)和石墨鍵(sp2)組成，薄膜中sp3/sp2值決定了DLC薄膜的性能.Raman光譜中D峰與G峰對應的積分強度比ID/IG越小，則膜中sp3碳含量越高，在宏觀性質(zhì)上就越類似于金剛石[24].

Fig.2 Micrographs of the DLC film: (a) surface image; (b) cross-sectional image; (c) EDS scan image of the selected area in (b)圖2 DLC薄膜的微觀形貌圖：(a)表面圖像；(b)截面圖像；(c)圖(b)中選定區(qū)域的EDS掃描圖像

Fig.3 Load-displacement curve of the DLC film by nanoindentation圖3 DLC薄膜的納米壓痕載荷-位移曲線

經(jīng)過1.2×105次循環(huán)后，對類金剛石薄膜進行拉曼光譜分析，試驗參數(shù)：接觸應力1.8 GPa，滑差率5%.如圖6(b)所示，試驗后類金剛石碳膜的G峰向高頻端移動[25-26]，峰的形狀更接近于石墨峰，在1 350 cm?1處的峰強度增加，表明石墨鍵的貢獻增大[9].通過高斯函數(shù)擬合計算得出特征峰比值ID/IG大于1，說明此時試樣表面主要是硬度相對較低的含有更多sp2鍵結(jié)構的含碳轉(zhuǎn)移膜[27-29].DLC薄膜在滾動接觸過程中形成的轉(zhuǎn)移膜具有石墨化特征[30-32]，從而有利于提高耐磨性.

Fig.4 Morphologies of scratch tracks for DLC film: (a) optical microscope image; (b) SEM micrograph at the load of 30 N; (c) SEM micrograph at the load of 60 N圖4 DLC薄膜劃痕形貌圖：(a)光學顯微照片；(b)載荷為30 N時的SEM照片；(c) 載荷為60 N時的SEM照片

Fig.5 Comparison on RCF life of DLC films and substrate specimens under different loads and slip rates圖5 不同載荷及滑差率下DLC薄膜和基體試樣接觸疲勞壽命比較

2.4 接觸疲勞失效表面和橫截面特征分析

圖7為薄膜試樣磨損表面的元素分析，試驗參數(shù)：接觸應力1.8 GPa，滑差率5%和循環(huán)次數(shù)為1.92×106.可以看出，DLC薄膜磨損較為嚴重，滾道接觸區(qū)存在明顯的周向磨損痕跡，但接觸表面仍有部分薄膜.由上述的拉曼光譜分析可知，此時有含碳轉(zhuǎn)移膜生成.含碳轉(zhuǎn)移膜的生成可以有效地避免接觸面的直接接觸，降低滾動接觸過程中的剪切力[19]，使DLC薄膜軸承表現(xiàn)出較好的接觸疲勞性能.

圖8為不同周次DLC薄膜試樣磨損表面和橫截面形貌的SEM照片.圖8(a)為試驗前DLC薄膜試樣表面形貌圖，粗糙峰均勻分布于表面，使用激光共聚焦掃描顯微鏡(LSCM)測得薄膜試樣的平均表面粗糙度Ra為0.8 μm，與基體GCr15馬氏體鋼的粗糙度幾乎相等.DLC薄膜基本不改變基體表面形貌，其原因在于DLC薄膜無定形的內(nèi)在屬性使得取向優(yōu)先生長導致粗糙度增加的過程不會發(fā)生，且薄膜具有沿基底表面生長的特性，最終的粗糙度會與基體相近[21]；圖8(b)為循環(huán)3×104周次時表面形貌圖，發(fā)現(xiàn)試樣表面的粗糙峰基本被磨損，暴露出金屬基體；隨著循環(huán)次數(shù)增至1.2×105，薄膜發(fā)生大面積剝落，基體表面出現(xiàn)凹痕和剝落坑[圖8(c)]；繼續(xù)加載至1.8×105周次時，薄膜幾乎已被完全磨損，基體表面出現(xiàn)了明顯的溝槽[圖8(d)].圖8(e)和(f)為接觸疲勞失效過程截面形貌圖，從圖8(e)中可以看出薄膜呈波浪狀沉積在試樣表面.在滾動接觸疲勞載荷的作用下，薄膜首先從凸起的粗糙峰處開始剝落，之后向四周擴展，如圖8(f)所示，并且同圖8(b)所示結(jié)果一致.

2.5 失效機理分析

由赫茲接觸理論，裂紋起源于距表面0.75b的最大剪切應力處，其中b為接觸圓半徑.采用有限元軟件ABAQUS計算了Mises應力，如圖9所示.最大應力位于距離表面15 μm處，而DLC薄膜厚度為3 μm，因此薄膜處于最大應力分布范圍內(nèi).薄膜表面凹凸不平，由粗糙峰和粗糙谷組成[見圖8(a)]，接觸最先發(fā)生在粗糙峰處，較大的粗糙峰在試驗過程中易導致摩擦副間接觸面積減小，接觸應力增大，應力集中嚴重[7]，且由于基體表面不平整及致密性不夠?qū)е滤苽涞谋∧け砻娲嬖诳紫?，也是應力集中的部位，容易在粗糙峰處的孔隙邊緣產(chǎn)生微裂紋.在接觸應力的作用下，粗糙峰處的薄膜開始剝落，金屬基體裸露，接觸表面產(chǎn)生裂紋，向內(nèi)擴展一定距離后轉(zhuǎn)向表面，導致基體材料剝落形成點蝕坑.大量的點蝕坑密布于接觸表面，如圖10(a～b)所示.隨著繼續(xù)加載，相鄰的點蝕坑互相連接，形成面積較大且較深的剝落坑，其深度大約為1 mm，如圖10(c)所示.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，當薄膜磨完后，基體在疲勞載荷的作用下產(chǎn)生大量塑性變形和疲勞裂紋，最終導致試樣失效，如圖10(d～e)所示.

Fig.6 Raman spectra of the DLC film: (a) before RCF testing; (b) 1.2×105 cycles圖6 DLC薄膜的Raman光譜：(a)RCF試驗前；(b)試驗1.2×105周次

Fig.7 Morphologies of worn surface of DLC film samples：(a) SEM micrograph; (b～f) EDS mappings of C,Fe,Cr,Ar,and W圖7 DLC薄膜試樣磨損表面顯微照片：(a)SEM照片；(b～f) C,Fe,Cr,Ar 和W元素分布圖

圖11為DLC薄膜試樣的滾動接觸疲勞失效機理示意圖.首先，在循環(huán)載荷的作用下，接觸表面出現(xiàn)較淺的磨痕，試樣表面生成硬度相對較低的含有更多sp2鍵結(jié)構的含碳轉(zhuǎn)移膜；然后，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，薄膜剝落，基體材料裸露，接觸表面出現(xiàn)點蝕和較大的剝落坑；最后，在接觸應力的作用下產(chǎn)生大量塑性變形和疲勞裂紋，導致試樣失效.

3 結(jié)論

a.采用磁控濺射技術可以在GCr15馬氏體鋼表面沉積得到致密均勻的DLC薄膜，其硬度和彈性模量較高，且DLC薄膜與馬氏體鋼基體之間具有較高的界面結(jié)合強度.

Fig.8 SEM micrographs of DLC film samples: (a) surface before loading; (b) 3×104 cycles; (c) 1.2×105 cycles; (d) 1.8×105 cycles;(e) cross-section before loading; (f) cross-section of failed film sample圖8 DLC薄膜試樣SEM照片：(a) 加載前表面形貌；(b) 3×104周次；(c) 1.2×105周次；(d) 1.8×105周次；(e) 加載前截面形貌；(f) 薄膜試樣失效截面形貌

Fig.9 Mises stress distribution of DLC film samples圖9 DLC薄膜試樣Mises應力等值曲線分布圖

b.與基體試樣相比，DLC薄膜試樣的接觸疲勞壽命明顯提高.載荷和滑差率越大，壽命越短.同時，DLC薄膜磨損完后的剩余壽命仍比原基體壽命長.其原因一方面在于DLC薄膜本身的高硬度，另一方面由于DLC薄膜在滾動接觸過程中形成了含碳轉(zhuǎn)移膜，且轉(zhuǎn)移膜具有石墨化特征，起到一定的潤滑作用.

c.薄膜試樣滾動接觸疲勞性能受基體表面粗糙峰和載荷條件等因素影響，其中表面粗糙峰影響最大.薄膜厚度3 μm，處于接觸最大應力分布的15 μm范圍內(nèi).在接觸應力的作用下，微裂紋首先在基體表面的粗糙峰處產(chǎn)生，引起薄膜剝落并向四周擴展.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，當薄膜磨完后，基體材料裸露，在疲勞載荷的作用下產(chǎn)生大量塑性變形和疲勞裂紋，最終導致試樣失效.

Fig.11 Schematic diagrams of failure mechanism of DLC film samples圖11 DLC薄膜試樣失效機理示意圖