摩擦条件对掺钨DLC膜摩擦磨损性能的影响

　　本研究利用SEM、AES、XRD、Raman 谱仪、纳米压痕仪、划痕仪和球- 盘磨损实验机对掺钨DLC膜的微观结构和摩擦学性能进行了研究，结果表明：掺钨DLC 膜光滑致密，具有纳米晶碳化钨和非晶碳组成的复相结构；其硬度和弹性模量为19- 23GPa 和200- 228GPa，膜/ 基结合力好；摩擦系数随着载荷的增加略有增加，转速对摩擦系数的影响较小；当载荷大于1.96N 时，磨损率随着载荷增加急剧增大，磨损率随着转速的增加存在一个极小值；DLC 膜的磨损主要是由基体塑性变形引起的梯度掺钨DLC 膜内部不同亚层之间的剥离和DLC 膜的断裂引起的。

　　类金刚石膜（DLC）具有高硬度、高耐磨性及低摩擦系数等特点，制备技术成熟，广泛应用于精密机械零件、易磨损零件、切削刀具及模具等；但因其内应力大、膜/基结合力差、热稳定性差，在很大程度上制约了DLC 膜在苛刻摩擦条件下的应用。通过掺杂改善DLC 膜性能，满足恶劣服役条件对耐磨减摩涂层性能的苛刻要求，是DLC 膜研究的热点领域，目前常用的掺杂元素包括钨、铬、钛等。在DLC 膜中掺杂钨可以形成碳化钨和非晶碳组成的复相结构，明显提高DLC 膜的硬度、膜/基结合力、韧性，缓解DLC 膜的内应力，从而大大降低DLC 膜的磨损率，这使得掺钨DLC 膜具有广泛的应用前景。

　　DLC 膜的摩擦学性能与载荷、速度、对摩副材料、润滑条件、温度、湿度等因素密切相关，但目前对掺钨DLC 膜在不同摩擦条件下的摩擦学性能研究还不够充分，进一步探讨摩擦条件对掺钨DLC 膜摩擦磨损性能的影响规律对DLC 膜的应用具有重要意义。

1、实验方法

　　采用真空阴极电弧/磁控溅射/离子束沉积复合多功能镀膜方法制备掺钨DLC 膜。试样基体为316L 不锈钢抛光片，在装炉前经过严格的超声清洗、脱水、烘干处理。为了进一步提高膜/ 基结合力，首先利用真空阴极电弧沉积、离子束辅助磁控溅射沉积制备多组分梯度过渡层，然后利用离子束沉积+ 磁控溅射制备梯度掺钨DLC 复合膜，沉积气体为高纯氩气和高纯甲烷，离子源工作参数根据优化的纯DLC 离子束沉积工艺确定，溅射靶材为高纯钨，通过调整钨靶电流来控制DLC 膜中的钨含量，表层掺钨DLC 膜沉积时的靶电流为1 A。梯度掺钨DLC 膜总厚度为2.32 μm。

　　利用SIRON- 200 扫描电子显微镜观察DLC膜的表面形貌和磨损表面形貌；利用PHI 700 纳米扫描俄歇微探针系统分析DLC 膜的成分；利用RM2000 显微共焦拉曼光谱仪分析DLC 膜的化学结合状态；利用D/max- 2500 型X 射线衍射仪分析DLC 膜的相结构，X 射线管阳极为Cu 靶，采用小角度掠射分析模式，X 射线入射角为2°；利用MTS XP 型纳米硬度仪测定DLC 膜的硬度和弹性模量。采用MTS- 3000 磨损试验机探讨转速（载荷为1.96 N）和载荷（转速为400 rpm）对DLC 膜摩擦磨损性能的影响，其它摩擦条件为：对磨件为5 mm 的Si3N4 球，摩擦半径为3 mm，摩擦时间为30 min；利用Micro XAM- 3D 型三维白光干涉表面形貌仪测定磨损体积并计算出磨损率。

3、结论

　　（1） 掺钨DLC 膜光滑致密，具有典型的DLC膜Raman 谱特征，为非晶碳膜上弥散分布着纳米碳化钨的复相结构；DLC 膜的缺陷主要由过渡层制备时阴极电弧的喷射产生。

　　（2） 掺钨DLC 膜的硬度和弹性模量为19~23 GPa 和200~228 GPa， 具有好的膜/基结合力。

　　（3） 掺钨DLC 膜的摩擦系数随着载荷的增加略有增加，转速对摩擦系数的影响较小。在低载时掺钨DLC 膜的磨损率较低，但载荷高于1.9 N后载荷增加导致磨损率急剧增大；磨损率随着转速的增加出现一个最小值。DLC 膜的磨损主要是由基体塑性变形引起的梯度掺钨DLC 膜内部的微观断裂和不同亚层之间的剥离产生的。