類金剛石薄膜的微動(dòng)行為研究

張 勝 ,楊于詩 ,岳照凡 ,莊文華 ,樊小強(qiáng)* ,朱旻昊

(1.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031;2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 摩擦學(xué)研究所,四川 成都 610031)

微動(dòng)是指2個(gè)相互接觸的表面在交變載荷作用下，產(chǎn)生位移幅值極小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[1-3].微動(dòng)主要發(fā)生在各種緊密配合的部件中，造成接觸面的表面磨損，使零部件尺寸變化、表面材料損失，產(chǎn)生咬合、松動(dòng)和振動(dòng)噪聲等現(xiàn)象，是導(dǎo)致機(jī)械零件失效的常見原因之一.微動(dòng)磨損受多種因素影響，如：位移幅值、法向載荷、接觸副材料性質(zhì)等，主要的磨損形式是疲勞、黏著、氧化和磨粒磨損[4-7].根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界近八成的機(jī)械零部件是因磨損而失效，且超過半數(shù)的機(jī)械或儀器設(shè)備故障或報(bào)廢是由潤滑不當(dāng)或失效和過度磨損引起[8].

通過引入固體或液體潤滑劑，對(duì)材料表面形成保護(hù)并降低表面摩擦系數(shù)是解決摩擦磨損問題最常用的方法之一.但在一些黏性剪切力較高的工況下，液體潤滑劑無法發(fā)揮其作用，所以固體潤滑薄膜是對(duì)抗微動(dòng)損傷目前較常用的方法.由于良好的機(jī)械性能和摩擦學(xué)性能，類金剛石碳基(diamond-like carbon,DLC)薄膜常作為機(jī)械減摩、耐磨防護(hù)涂層.自1980年DLC薄膜被首次發(fā)現(xiàn)具有低摩擦系數(shù)以來，眾多學(xué)者便對(duì)其摩擦學(xué)行為和減摩抗磨機(jī)理進(jìn)行了深入研究[9-16].類金剛石碳是1類原子排列為近程有序、遠(yuǎn)程無序的亞穩(wěn)態(tài)非晶態(tài)材料.其中碳原子通過sp3(金剛石結(jié)構(gòu))和sp2(石墨結(jié)構(gòu))雜化鍵結(jié)合是DLC薄膜近程有序的主要表現(xiàn).這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了DLC薄膜高硬度、高耐磨性以及自潤滑性等良好的機(jī)械和摩擦學(xué)性能，使其在機(jī)械、航空航天以及生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域被普遍使用[17].

本文中通過分別調(diào)控法向載荷和位移幅值的大小，探究其如何影響DLC薄膜的微動(dòng)行為，分析DLC薄膜/GCr15鋼球所組成摩擦副的摩擦力-位移幅值曲線、摩擦系數(shù)曲線、磨痕與磨斑形貌元素等，揭示DLC薄膜的微動(dòng)損傷機(jī)理，并為DLC薄膜在預(yù)防微動(dòng)磨損方面的實(shí)際應(yīng)用提供一定的借鑒，為緩解能源緊缺現(xiàn)狀、提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)中所使用的DLC薄膜是由Teer UDP-650濺射系統(tǒng)在AISI 304不銹鋼基片(15 mm×5 mm×2 mm)上沉積.在沉積開始前，不銹鋼基片依次被置于丙酮和乙醇中，分別進(jìn)行超聲清洗20 min.在基片上殘余的丙酮和乙醇溶液去除干凈后裝樣，采用Ar+離子將基片在脈沖直流偏壓(-500 V)下刻蝕10 min，以進(jìn)一步去除表面的污染物.為了提高薄膜的附著力，先使用具有2個(gè)鉻靶和2個(gè)石墨靶的閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射系統(tǒng)沉積厚度為0.65 μm的鉻過渡層，再將石墨靶和鉻靶的功率分別控制為2 500 W和150 W進(jìn)行鉻摻雜類金剛石碳基(Cr-DLC)薄膜的沉積[18].此外，試驗(yàn)所使用的對(duì)偶球?yàn)橹睆?0 mm的GCr15鋼球，鋼球與DLC薄膜共同組成摩擦副.

1.2 試驗(yàn)和表征條件

對(duì)DLC薄膜和GCr15鋼球組成的摩擦副進(jìn)行微動(dòng)摩擦試驗(yàn)，所使用的微動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置為西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所設(shè)計(jì)研發(fā).GCr15鋼球和DLC薄膜分別作為上、下試樣，二者在法向載荷的作用下形成點(diǎn)接觸.試驗(yàn)采用了2 Hz的頻率，單次摩擦試驗(yàn)循環(huán)5 000次，法向載荷分別采取10和20 N，位移幅值分別為5、15和45 μm.

摩擦試驗(yàn)過程中，微動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置會(huì)自動(dòng)實(shí)時(shí)輸出摩擦數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可以得到摩擦系數(shù)曲線及摩擦力-位移曲線(Ft-D).通過白光干涉三維輪廓儀(3D，德國 Bruker Contour GT 型號(hào))對(duì)磨痕進(jìn)行測(cè)量分析，得到磨痕的磨損體積、三維形貌和二維輪廓，再通過公式(1)計(jì)算得到磨損率：

其中，Vc為磨損率，V為磨損體積(mm3)，S為摩擦總路程(m)，F(xiàn)為試驗(yàn)中所施加的法向載荷(N).

為獲得GCr15鋼球上的磨斑及DLC薄膜上磨痕的形貌，采用光學(xué)顯微鏡(OM,日本OLYMPUS-BX60M)對(duì)其進(jìn)行觀察.采用掃描電子顯微鏡(SEM，日本電子JSM-6610)對(duì)DLC薄膜上的磨痕進(jìn)行了形貌檢測(cè)并運(yùn)用電子能譜(EDX，牛津能譜儀 OXFORD X-MAX50 INCA-250 型號(hào))在磨痕上進(jìn)行點(diǎn)分析以檢測(cè)磨痕上可能存在的元素及其含量，以驗(yàn)證微動(dòng)摩擦過程中是否發(fā)生了物理或化學(xué)反應(yīng).采用超級(jí)電子探針顯微分析儀(EPMA，日本 JXA-8230型號(hào))確認(rèn)各種元素的面分布情況，以此進(jìn)一步確認(rèn)摩擦轉(zhuǎn)移膜的存在.此外，為研究摩擦試驗(yàn)進(jìn)行前后DLC薄膜的化學(xué)鍵合和組成變化，還對(duì)DLC薄膜進(jìn)行了拉曼光譜(Horiba LabRam HR800)檢測(cè).

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦曲線分析

Ft-D曲線是微動(dòng)摩擦試驗(yàn)中極其關(guān)鍵的1個(gè)信息，它反映了不同循環(huán)周次下的摩擦力與相對(duì)滑移位置的關(guān)系，是判斷摩擦狀態(tài)的重要依據(jù).試驗(yàn)所采取的總循環(huán)周次為5 000次，在5 000次周期下選取10th、100th、1000th、2500th和5000th的Ft-D曲線來進(jìn)行對(duì)比，分析微動(dòng)摩擦試驗(yàn)中摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).圖1所示為DLC薄膜在位移幅值分別為5、15和45 μm時(shí)，法向載荷為10 N的Ft-D演變曲線.如圖1所示，當(dāng)位移幅值較小，數(shù)值為5和15 μm時(shí)，在經(jīng)過前期短暫的磨合期后，最終分別穩(wěn)定為橢圓形和平行四邊形.在10 N載荷下，該摩擦體系的位移幅值為5和10 μm時(shí)均處于混合區(qū).10 N-5 μm時(shí)，F(xiàn)t-D演變曲線由平行四邊形轉(zhuǎn)向橢圓形，這時(shí)接觸面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)主要由彈塑性協(xié)調(diào)位移實(shí)現(xiàn).10 N-10 μm時(shí)，F(xiàn)t-D演變曲線逐漸向平行四邊形轉(zhuǎn)變，說明接觸面已經(jīng)發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，部分摩擦區(qū)域已處于三體狀態(tài)，摩擦副發(fā)生了彈塑性變形[19].在位移幅值達(dá)到45 μm時(shí)，F(xiàn)t-D曲線在摩擦循環(huán)中始終保持平行四邊形，說明在該工況下的微動(dòng)摩擦試驗(yàn)中，摩擦副處于完全滑移區(qū)，上下試樣之間發(fā)生了完全位移.在該載荷下，微動(dòng)摩擦隨位移幅值增加，狀態(tài)發(fā)生改變，由部分滑移區(qū)轉(zhuǎn)向完全滑移區(qū).圖2所示為DLC薄膜在位移幅值分別為5、15和45 μm時(shí)，法向載荷為20 N的Ft-D演變曲線.在位移幅值較小時(shí)，F(xiàn)t-D曲線在整個(gè)循環(huán)周次中均呈現(xiàn)橢圓型，說明在微動(dòng)摩擦過程當(dāng)中，摩擦副處于部分滑移狀態(tài)，摩擦副接觸點(diǎn)的中心區(qū)域相互黏著，并不產(chǎn)生相對(duì)位移，只會(huì)在接觸邊緣產(chǎn)生微滑，這種情況下接觸表面的損傷相對(duì)會(huì)比較輕微.在位移幅值為45 μm時(shí)，F(xiàn)t-D曲線均為平行四邊形，摩擦運(yùn)動(dòng)處于完全滑移區(qū)，摩擦副接觸點(diǎn)之間發(fā)生完全滑移.

Fig.1 Friction force vs displacement (Ft-D) curve of DLC film under different displacement amplitudes of 10 N圖1 DLC薄膜在10 N不同位移幅值下的Ft-D演變曲線

Fig.2 Ft-D curve of DLC film under different displacement amplitudes of 20 N圖2 DLC薄膜在20 N不同位移幅值下的Ft-D演變曲線

結(jié)合圖1和圖2可以看出，當(dāng)位移幅值不斷增大，微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域會(huì)向著完全滑移區(qū)發(fā)展.而載荷的增加會(huì)提高摩擦?xí)r的切向剛度，同時(shí)增加切向力，不利于相對(duì)滑移的發(fā)生，對(duì)比10 N-15 μm和20 N-15 μm，說明微動(dòng)區(qū)域隨著法向載荷的增加會(huì)向著部分滑移區(qū)方向發(fā)展.

圖3所示為DLC薄膜在不同位移幅值下的摩擦系數(shù)曲線.當(dāng)位移幅值為5 μm時(shí)，10和20 N載荷下的微動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)曲線均快速達(dá)到穩(wěn)定值，但在10 N載荷工況下，F(xiàn)t-D曲線形狀發(fā)生了改變，從平行四邊形逐漸轉(zhuǎn)向橢圓形，表明前期有1個(gè)磨合過程，滑移由相對(duì)滑移轉(zhuǎn)向彈塑性協(xié)調(diào)位移，微動(dòng)滑移的尺寸增加，摩擦力相比20 N載荷工況較高.在位移幅值為15 μm時(shí)，10 N載荷工況下摩擦系數(shù)曲線存在1個(gè)明顯的跑合期，摩擦系數(shù)波動(dòng)較20 N載荷工況較大.當(dāng)位移幅值為45 μm時(shí)，10 N載荷和20 N載荷工況下的摩擦系數(shù)曲線均存在明顯的上升和下降階段，且隨循環(huán)周次增加，摩擦系數(shù)逐漸下降直至穩(wěn)定.在摩擦初期，隨著2個(gè)接觸面表面膜(如氧化膜、吸附膜等)的破裂，2種材料直接接觸，真實(shí)接觸面積增加，由于表面黏著和塑性變形，摩擦系數(shù)迅速增加，直至磨屑產(chǎn)生，第三體層形成，減少了摩擦副之間的直接接觸，摩擦系數(shù)下降.隨著磨屑的不斷形成和排出，二者逐漸達(dá)到并保持平衡狀態(tài)，摩擦系數(shù)也隨之達(dá)到穩(wěn)定.

Fig.3 Friction coefficient curves of DLC film under different displacement amplitudes圖3 DLC薄膜在不同位移幅值下的摩擦系數(shù)曲線

2.2 磨損形貌分析

圖4所示為DLC薄膜在不同載荷和位移幅值下的三維形貌，磨痕周圍顏色較亮的凸起部分為摩擦過程中磨屑溢出堆積所形成.在載荷相同情況下，DLC薄膜上磨痕面積隨位移幅值的增加而增加.圖5所示為DLC薄膜在不同載荷和位移幅值下的二維輪廓曲線，均為磨痕最中心位置測(cè)量所得，6條二維輪廓曲線呈不同深度的“U”型.在載荷為10 N時(shí)，可以觀測(cè)到，當(dāng)位移幅值增大，磨痕的深度和寬度都隨之?dāng)U大；在載荷為20 N時(shí)，位移幅值為5 μm和位移幅值為15 μm的磨痕寬度和深度相似，而位移幅值為45 μm的磨痕深度明顯大于前兩者.在位移幅值相同的情況下，20 N載荷進(jìn)行微動(dòng)摩擦試驗(yàn)所得到的磨痕均大于10 N載荷下所得到的，證明法向載荷的變化對(duì)于磨痕深度和寬度的影響明顯高于位移幅值.圖6所示為DLC薄膜在不同位移幅值下的磨損體積和磨損率.在相同載荷下，磨損體積和位移幅值成正比增加；相同位移幅值下，20 N載荷磨損體積均大于10 N載荷，而10 N載荷的磨損率變化是先增后減，20 N載荷的磨損率變化趨勢(shì)是先減后增.這是由于位移幅值從5 μm變化到45 μm的過程中，微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)由部分滑移轉(zhuǎn)為完全滑移，由彈塑性協(xié)調(diào)變形轉(zhuǎn)向相對(duì)滑移.10和20 N載荷的微動(dòng)磨損率變化趨勢(shì)相反，說明磨損率變化受到位移幅值和法向載荷的共同調(diào)控.

Fig.4 3D topography of DLC films under different loads and displacement amplitudes圖4 DLC薄膜在不同載荷和位移幅值下的三維形貌

Fig.5 2D profile of DLC films under different loads and displacement amplitudes圖5 DLC薄膜在不同載荷和位移幅值下的二維輪廓曲線

Fig.6 Wear volume and wear rate of DLC film under different displacement amplitudes圖6 DLC薄膜在不同位移幅值下的磨損體積和磨損率

為了更加直觀地觀測(cè)DLC薄膜表面磨痕的形貌，采用掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行拍攝，并對(duì)磨痕上的部分區(qū)域進(jìn)行EDX元素分析.圖7所示為DLC薄膜在不同位移幅值下形貌的SEM照片和EDX譜圖.位移幅值為5和15 μm時(shí)磨痕表面磨損均比較輕微，這是由于二者均處于部分滑移區(qū)，接觸點(diǎn)中心互相黏著，邊緣發(fā)生微動(dòng)滑移，在磨痕表面可以看到少量輕微的溝壑.在部分滑移區(qū)，除具有少量的磨粒磨損外，大多以黏著磨損為主.隨位移幅值增加，磨痕面積增加；法向增加，薄膜表面磨損明顯加劇.在位移幅值為45 μm時(shí)，磨痕面積顯著增加且磨損程度加劇，表面上存在明顯的犁溝，且磨痕周圍存在少量磨屑.對(duì)于2組位移幅值為45 μm的磨痕，在磨痕中心和邊緣各選取了1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行元素分析，均含有不同程度的氧元素，且20 N載荷下磨痕的氧元素含量略高于10 N法向載荷的含量.說明2個(gè)磨痕上均覆蓋有1層氧化物.因此可以推斷，在微動(dòng)摩擦的滑移區(qū)中，以磨粒磨損和氧化磨損為主，且隨法向載荷的增加，氧化磨損程度加劇.

2.3 磨損機(jī)理分析

圖8所示為法向載荷為20 N工況下的GCr15鋼球磨痕光鏡全貌和DLC磨痕在位移幅值為45 μm時(shí)的EPMA結(jié)果.GCr15鋼球上的磨斑為圓形，磨痕周圍有較多磨屑存在.當(dāng)位移幅值小于15 μm時(shí)，磨斑外部呈明顯環(huán)狀，為微動(dòng)滑移所形成，且磨斑中心磨損較外部嚴(yán)重，為接觸中心相互黏著造成.3個(gè)磨斑上均有部分黑色物質(zhì)存在，為碳質(zhì)轉(zhuǎn)移膜.可以明顯看出位移幅值為45 μm時(shí)，磨斑上碳質(zhì)轉(zhuǎn)移膜基本形成，隨位移幅值增加，碳質(zhì)轉(zhuǎn)移膜逐漸致密，即位移幅值的增加有利于碳質(zhì)轉(zhuǎn)移膜的形成，且轉(zhuǎn)移膜的形成能夠避免摩擦副表面發(fā)生直接接觸，有利于摩擦磨損的減小.位移幅值為45 μm的磨斑形成了更為完整的黑色圓環(huán)，這是由于磨屑與空氣的接觸時(shí)間隨位移幅值增加而延長，氧化反應(yīng)的時(shí)間也因此增加.由圖8(e)和(f)可知，在DLC薄膜中磨痕上C元素有所減少，而Fe元素含量高于周圍，進(jìn)一步說明了在摩擦副上出現(xiàn)了元素轉(zhuǎn)移，初步證明了摩擦轉(zhuǎn)移膜的形成.在微動(dòng)摩擦試驗(yàn)中，摩擦副表面的微凸體在擠壓力和剪切力的作用下被磨平產(chǎn)生磨屑，磨屑隨摩擦往復(fù)運(yùn)動(dòng)在對(duì)偶球接觸面分布擴(kuò)散，形成第三體層，即摩擦轉(zhuǎn)移膜.在摩擦過程中，所形成的第三體層發(fā)揮了固體潤滑的效果，并且將DLC薄膜和GCr15鋼球摩擦副本身的異種物質(zhì)之間的摩擦轉(zhuǎn)化為相同物質(zhì)之間的摩擦，有效地減少了摩擦對(duì)偶之間的摩擦磨損.

Fig.8 Optical microscope morphology of the wear scars for the GCr15 ball and the EPMA of the wear tracks for the DLC film圖8 GCr15鋼球磨斑光鏡全貌和DLC磨痕EPMA結(jié)果

拉曼(Raman)光譜是1種散射光譜，其散射是由極化率變化的分子振動(dòng)產(chǎn)生的，可以獲得材料的能級(jí)信息，因此常作為獲取碳相鍵合信息的1種方法[20].為研究DLC薄膜在微動(dòng)摩擦試驗(yàn)過程中是否發(fā)生了碳相鍵合的變化，分別對(duì)法向載荷為10和20 N，位移幅值為15和45 μm的4條磨痕進(jìn)行了拉曼光譜測(cè)試，如圖9所示.將DLC薄膜的拉曼光譜選取函數(shù)擬合后，原在1 500 cm-1附近的寬峰會(huì)呈現(xiàn)為2個(gè)峰，分別為位于1 580 cm-1附近的G峰和位于1 360 cm-1的D峰[21-22].G峰是sp2C-C雜化鍵存在的象征，D峰則是sp3C-C雜化鍵存在的象征，石墨微晶粒的形態(tài)會(huì)影響D峰和G峰的形狀及位置.D峰和G峰的相對(duì)強(qiáng)度比ID/IG可用于判斷DLC中sp3雜化鍵的含量，比值較小則意味著雜化鍵比例較高.在同一載荷下，位移幅值增加，G峰變寬且向低波數(shù)移動(dòng)，此外，DLC薄膜的ID/IG值增大，說明其中部分sp3雜化鍵轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2雜化鍵，且sp2雜化鍵鍵角的無序度變高，所形成石墨化的尺寸增大.在同一位移幅值下，在載荷較小時(shí)，ID/IG值改變不大，在載荷較大時(shí)，ID/IG值增大明顯，說明位移幅值的增加有利于DLC薄膜石墨化的形成，而較大的載荷可以促進(jìn)DLC薄膜石墨化的形成，但當(dāng)微動(dòng)狀態(tài)處于部分滑移區(qū)時(shí)，增加載荷對(duì)于促進(jìn)石墨化并無太大的作用.石墨化的形成有利于摩擦磨損的減小.

Fig.9 Optical microscope morphology and Raman analysis of DLC films under different working conditions圖9 DLC薄膜在不同工況下的光鏡形貌和Raman分析

3 結(jié)論

a.法向載荷和位移幅值均會(huì)影響DLC薄膜微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)：增加位移幅值有利于微動(dòng)摩擦狀態(tài)由部分滑移區(qū)轉(zhuǎn)向完全滑移區(qū)；而增加法向載荷會(huì)阻止完全滑移的發(fā)生.

b.DLC薄膜/GCr15鋼球摩擦副微動(dòng)磨損機(jī)制：在部分滑移區(qū)，以黏著磨損為主、伴有少量磨粒磨損；在完全滑移區(qū)，主要以磨粒磨損和氧化磨損；且增加法向載荷會(huì)加劇氧化磨損的程度.

c.摩擦轉(zhuǎn)移膜影響DLC薄膜微動(dòng)磨損機(jī)制：磨屑在擠壓和剪切作用下于摩擦接觸面形成第三體層發(fā)揮潤滑作用；而增加位移幅值有利于形成致密的碳質(zhì)轉(zhuǎn)移膜來隔絕摩擦副的直接接觸起到減摩抗磨的作用.

d.法向載荷和位移幅值影響DLC薄膜的石墨化程度：增加位移幅值和法向載荷均促進(jìn)DLC薄膜中的sp3雜化鍵向sp2雜化鍵轉(zhuǎn)化；石墨化進(jìn)一步助力減摩抗磨.

e.DLC薄膜的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和磨損機(jī)制可通過調(diào)控法向載荷及位移幅值而控制，為減緩、甚至消除緊密接觸的機(jī)械部件微動(dòng)損傷提供了重要的指導(dǎo)意義和工程價(jià)值.