重載、高速齒輪用a-C-WC薄膜的制備及摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、類金剛石薄膜（diamond-like carbon films,簡稱 DLC薄膜）由于其高的硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗腐蝕性能和優(yōu)異的摩擦磨損性能而廣泛用作固體潤滑防護(hù)涂層。然而其在高速、重載及高溫等苛刻工況下易發(fā)生開裂、剝落、摩擦系數(shù)升高而使薄膜潤滑防護(hù)失效。在DLC薄膜中摻入具有高硬度、良好紅硬性及耐磨性的WC能顯著改善薄膜的機(jī)械性能及摩擦學(xué)性能，但是復(fù)合薄膜中WC相含量對其機(jī)械性能、物相組成、微觀結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能，尤其是高溫摩擦

2、學(xué)性能的影響規(guī)律尚不明確，有待進(jìn)一步研究。本文利用非平衡磁控濺射技術(shù)共濺射C靶與WC靶并改變WC靶濺射功率的方法，在齒輪鋼基底表面制備了不同WC相含量的a-C/WC薄膜，系統(tǒng)考察了WC相含量對復(fù)合薄膜微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和重載、高速條件下摩擦學(xué)性能的影響，并探討了a-C/WC薄膜在常溫和高溫下的減摩抗磨機(jī)理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴所制備的a-C/WC薄膜中WC相與非晶C相在納米尺度交替生長，形成“超晶格”結(jié)構(gòu)，而且WC相均以β

3、-WC1x納米晶的形式鑲嵌于非晶的碳基體中。隨著WC相含量的增加，“超晶格”結(jié)構(gòu)更加顯著。這種納米尺度的多層結(jié)構(gòu)有效抑制了薄膜的柱狀結(jié)構(gòu)生長，使得薄膜結(jié)構(gòu)更加致密，隨著WC相含量的增加，薄膜從明顯的柱狀結(jié)構(gòu)向無序的“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變。⑵DLC薄膜中WC相的摻入在一定程度上降低了薄膜的硬度，但另一方面，兩相復(fù)合的“超晶格”結(jié)構(gòu)能夠有效降低薄膜內(nèi)應(yīng)力并能改善其韌性，因此隨著WC相含量的增加，薄膜內(nèi)應(yīng)力逐漸降低，其劃痕結(jié)合力逐漸上升。而薄膜的H/

4、E值則在W含量為5.43 at.％時(shí)達(dá)到最大值，結(jié)合壓痕測試結(jié)果可知：此時(shí)薄膜韌性達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。⑶在25℃干摩擦條件下，當(dāng)W含量低于5.43at.%時(shí)，a-C/WC薄膜表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)，且在W含量為5.43at.%時(shí)達(dá)到最低的摩擦系數(shù)（約0.05）與最小的磨損率。當(dāng)薄膜中W含量超過5.43at.%時(shí)，薄膜摩擦系數(shù)上升、磨損加劇，表明過多的WC相無益于薄膜摩擦學(xué)性能的改善；在25℃油潤滑條件下，薄膜摩擦學(xué)性能仍在W含量為5.43at.

5、%時(shí)達(dá)到最佳。⑷在200℃干摩擦條件下，當(dāng)W含量低于5.43at.%時(shí)，a-C/WC薄膜表現(xiàn)出異常高的摩擦系數(shù)，薄膜完全不具潤滑功能。隨著WC相含量的增加，其摩擦系數(shù)得到顯著改善，并在W含量為5.43at.%時(shí)達(dá)到最小值（約0.28），更高的WC相含量無益于摩擦系數(shù)的降低，但卻能使摩擦系數(shù)更加穩(wěn)定。然而，a-C/WC薄膜的磨損率則隨著WC相含量的增加而逐漸上升；而在200℃油潤滑條件下，a-C/WC薄膜摩擦系數(shù)隨WC相含量的變化無明顯規(guī)