退火溫度對DLC膜熱穩定性及摩擦學(xué)性能的影響
采用非平衡磁控濺射技術(shù)分別在氮化硅陶瓷球和高速工具鋼圓盤(pán)表面制備了類(lèi)金剛石(DLC)膜。使用箱式電阻爐對DLC膜在大氣環(huán)境中進(jìn)行高溫退火處理以研究環(huán)境溫度對DLC膜摩擦學(xué)性能的影響；并分別采用激光拉曼光譜儀和球-盤(pán)式摩擦磨損試驗機對退火處理前后DLC膜的結構和摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。采用金相顯微鏡觀(guān)察了摩擦副磨損表面的形貌。研究發(fā)現，隨著(zhù)退火溫度的升高，DLC膜中sp3雜化鍵向sp2雜化鍵的轉化加快，當退火溫度為600℃時(shí)，DLC膜發(fā)生嚴重的石墨化。而當退火溫度為400℃時(shí)，DLC膜的摩擦系數及磨損率最小。拉曼測試表明400℃退火處理后DLC膜表層含有Si及SiO2，在摩擦過(guò)程中形成了含SiC的轉移膜，使得DLC膜的摩擦系數明顯降低，磨損減小。研究結果表明，退火處理對DLC膜的熱穩定性和摩擦學(xué)性能有重要的影響。
隨著(zhù)我國高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，對高端裝備所使用的滾動(dòng)軸承提出了更高的要求，如結構小型化、尺寸精密化、速度高速化、溫度高溫化以及對于高真空、強腐蝕等苛刻工況條件的滿(mǎn)足變得日益緊迫。氮化硅陶瓷因其良好的抗氧化性、低的熱膨脹系數、較高的強度以及很好的耐熱沖擊性，已成為高速、真空、貧油等摩擦工況下滾動(dòng)軸承研發(fā)及應用的首選。無(wú)保持架滿(mǎn)裝氮化硅陶瓷球軸承的廣泛應用，對滾動(dòng)體氮化硅摩擦學(xué)性能的改善日益強烈。類(lèi)金剛石(DLC)膜因具有優(yōu)異的機械性能如高硬度、高耐磨性、低摩擦系數等，在航空航天領(lǐng)域作為固體潤滑劑得到了廣泛的應用。在氮化硅球表面制備DLC膜，可更有效地改善氮化硅陶瓷軸承的摩擦學(xué)性能。滾動(dòng)軸承在運行過(guò)程中，由于滾動(dòng)體與滾道、保持架之間的滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦熱，軸承溫度升高，使得滾動(dòng)軸承的工作溫度遠高于常溫，使得氮化硅球表面的DLC膜處于高溫工況下。因此很有必要研究DLC膜在高溫工況下的熱穩定性及摩擦學(xué)性能。
目前影響DLC膜應用的最大限制因素是DLC膜內應力較大以及在較高溫度下的熱穩定性差。退火等熱處理方法可以減小DLC膜的內應力，但在高溫下DLC膜的結構發(fā)生轉變，而不能保持DLC膜的低摩擦系數等優(yōu)異性能。Li等研究了退火溫度對DLC膜結構、力學(xué)及摩擦學(xué)性能的影響；結果表明，在200℃以下DLC膜的結構、力學(xué)及摩擦學(xué)性能沒(méi)有明顯的變化，但高于200℃時(shí)，DLC膜結構發(fā)生變化，力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能都變差。王永霞等研究了退火溫度對含氫碳膜的結構及摩擦學(xué)性能的影響時(shí)發(fā)現：在較低退火溫度(300℃)時(shí)，碳膜結構無(wú)明顯變化，摩擦系數和耐磨性增加；當退火溫度為400和500℃時(shí)，碳膜結構惡化，摩擦系數隨時(shí)間變化曲線(xiàn)波動(dòng)增加，碳膜壽命縮短。Peter等研究了在真空退火下含氫DLC膜的結構及機械性能，結果顯示，退火處理后DLC膜中有氫溢出，且隨溫度的升高sp3雜化鍵更易轉化為石墨。Deng等制備了含氫DLC膜和含硅DLC膜，并在空氣中對DLC膜進(jìn)行退火處理，結果顯示含硅DLC膜的熱穩定性?xún)?yōu)于含氫DLC膜，但其摩擦系數低于含硅DLC膜。上述研究表明退火處理有利于DLC膜摩擦學(xué)性能的改善，但對DLC膜的研究主要集中基于平面DLC膜，而在球面試樣上，由于膜厚、膜基結合強度、薄膜均勻性等因素的不同，DLC膜將表現出不同的摩擦學(xué)性能，因此對球面試樣上DLC膜熱穩定性及摩擦學(xué)性能的研究很有必要，其成果既具有重要的理論意義，又具有良好的工程實(shí)際應用價(jià)值。本文工作主要研究了氮化硅陶瓷球表面DLC膜的熱穩定性及退火溫度對DLC膜結構和摩擦學(xué)性能的影響，并討論了它們之間的相互關(guān)系。
1、實(shí)驗部分
1.1、DLC膜的制備
采用非平衡磁控濺射沉積技術(shù)，選用純度為99.99%的石墨作為靶材和99.9%的高純度氬氣作為保護氣體分別在氮化硅球和高速工具鋼圓盤(pán)表面制備了DLC膜，其制備過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻。試樣氮化硅球直徑為Φ9.525mm；圓盤(pán)直徑為Φ30mm、厚度為5mm；氮化硅球和圓盤(pán)表面的DLC膜厚度約為2μm。
1.2、DLC膜的退火處理與結構表征
采用箱式電阻爐對氮化硅球表面DLC膜在大氣環(huán)境下分別進(jìn)行了200，400和600℃退火處理，達到設定溫度后保溫1h，之后隨爐冷卻至室溫。采用LabRAM HR800型激光共聚焦拉曼光譜儀對退火前后的DLC膜進(jìn)行Raman分析，實(shí)驗參數如表1所示。
表1 激光Raman光譜參數
1.3、DLC膜的摩擦磨損測試
采用美國CETR公司的UMT-II型摩擦磨損試驗機分別測試了氮化硅球表面DLC膜退火處理前后的摩擦學(xué)性能；采用MM-3型金相顯微鏡觀(guān)察摩擦副磨損表面形貌。上試樣為鍍有DLC膜的氮化硅球，下試樣為表面鍍DLC膜的高速工具鋼圓盤(pán)；運動(dòng)方式為球盤(pán)旋轉式；潤滑方式為干摩擦；環(huán)境溫度為20～25℃；相對濕度(RH)為30%～40%。實(shí)驗開(kāi)始前，將氮化硅球與圓盤(pán)試樣分別在無(wú)水乙醇中用超聲波清洗5min。實(shí)驗條件參數為：載荷10N，速度為0.05m/s，運行時(shí)間60min。實(shí)驗結束后，將試樣在無(wú)水乙醇中用超聲波清洗10min，采用金相顯微鏡觀(guān)察磨損表面磨痕形貌。
3、結論
(1)隨退火溫度的升高，DLC膜中sp3雜化鍵含量降低；退火溫度為600℃時(shí)，DLC膜發(fā)生嚴重的石墨化。
(2)合適的退火溫度可有效地改善DLC膜的摩擦學(xué)性能，本試驗中退火溫度為400℃時(shí)，DLC膜的摩擦系數及磨損率都最小。
(3)400℃退火處理后DLC膜表面存在少量Si及SiO2，在摩擦過(guò)程中Si-Si及Si-O鍵斷裂而形成含Si-C的轉移膜，從而降低了摩擦系數及磨損率。
