（机械设计及理论专业论文）pcvd类金刚石涂层冲击疲劳磨损行为研究.pdf

摘要 摘要 类金刚石涂层是一种与金刚石涂层性能相似的新型薄膜材料，它具有较高的硬度， 良好的热传导率，极低的摩擦系数，优异的电绝缘性能，高的化学稳定性及红外透光性 能。类金刚石涂层作为优质硬质涂层的代表，在不同领域展现了广泛的应用前景，国内 外对它的研究一直是热点问题，然而由于涂层过程和摩擦磨损过程影响因素众多，对于 涂层疲劳磨损作用机理和失效机理的研究目前还远远不够。本文以等离子增强化学气相 沉积法在4 5 钢基体表面上喷涂类金刚石涂层，与4 5 淬火钢组成圆盘滚滑摩擦副，在 m 2 0 0 0 型磨损试验机上进行了全接触，水平往复运动，垂直运动三种不同工况下的疲 劳磨损试验研究，并根据试验数据和现象对不同工况下类金刚石涂层的摩擦磨损性能和 疲劳磨损机理进行了系统而细致的研究。 试验结果表明：( 1 ) 随着载荷的增加，在全接触条件下，d l c 涂层平均摩擦系数先 降低后升高，2 5 0 n 时降低到最小值为0 2 0 5 ；在水平运动条件下，平均摩擦系数缓慢下 降，变化幅度很小，1 0 0 n 时0 2 1 3 ，3 0 0 n 时下降到0 1 7 8 ；征垂直运动条件下，平均摩 擦系数先升高后降低，2 0 0 n 时升高到最大值为0 6 4 0 。( 2 ) 涂层的磨损率都随着载荷的 增加而增加，载荷小于2 0 0 n 时增加缓慢，载荷大于2 0 0 n 时迅速增大，磨损率最小为 1 5 5 m g 万转，最大为1 5 6 m g 万转。( 3 ) 比较不同工况下d l c 涂层平均摩擦系数和磨 损率随载荷的变化曲线，涂层在水平往复运动条件下具有良好的抗磨作用，垂直运动条 件下最差。 在实验基础上研究了类金刚石涂层在不同工况下的疲劳磨损机理：( 1 ) 在全接触条 件下，中低载荷时，d l c 涂层疲劳磨损形式主要为点蚀和剥落，高载荷时，涂层疲劳磨 损形式主要为剥层；( 2 ) 在水平往复运动条件下，d l c 涂层的磨损情况比较复杂，主要 磨损形式为粘着磨损和表面疲劳磨损，涂层在滚滑摩擦过程中产生摩擦化学转移膜，使 摩擦系数和磨损率大大降低；( 3 ) 在垂直往复运动的条件下，d l c 涂层为撞击磨损，在 低载荷下主要为粘着磨损，在高载荷下主要为磨粒磨损。( 4 ) 根据涂层在不同载荷下疲 劳磨损破坏循环次数，绘制d l c 涂层在干摩擦情况下的疲劳磨损f n 曲线，初步建立 冲击情况下涂层与基体剥离的物理模型。 关键词：等离子增强化学气相沉积、类金刚石涂层、疲劳磨损、机理 a th o r i z o n t a lr e c i p r o c a t i n gm o v e m e n t s ，t h ew e a rp r o c e s si sc o m p l i c a t e d t h ea d h e s i v ew e a l a n df a t i g u ew e a l d o m i n a t e st h ew e a l p r o c e s s t h ef o r m a t i o no ft h et r a n s i t i o nc h e m i c a ll a y e r i nt h ew e a l p r o c e s sr e d u c e st h ef r i c t i o n a lt o e 伍c i e n ta n dw e a l r a t e ( 3 ) a tv e r t i c a lr e c i p r o c a t i n g m o v e m e l l t s t h ew e a rm e c h a n i s mi ss h o w ni m p a c tr e m o v a l a tl o wl o a d , t h ea d h e s i v ew e a l d o m i n a t e st h ew e a rp r o c e s s ：o nt h ec o n t r a r y , t h ea b r a s i v ew e a l p l a y st h ee s s e n t i a lr o l et o r e m o v et h em a t e r i a l ( 4 ) a c c o r d i n gt oc o a t i n gd a m a g ec y c l i n gt i m e so ff a t i g u ew e a l u n d e r d i f f e r e n tl o a d s ，d r a w i n gd l cc o a t i n gi nc a s eo fd r yf r i c t i o nf a t i g u ew e a rf - n c u r v e ，i n i t i a l l y e s t a b l i s h e dt h ep h y s i c a lm o d e lo fs t r i p p i n gf i l mo ft h es u b s t r a t eu n d e rt h ei m p a c t k e y w o r d s ：p l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，d i a m o n dl i k ec a r b o nf i l m s ，f a t i g u ew e a r , m e c h a n i s m 目录 摘要 目录 i a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 引言1 1 2 课题的研究背景及意义2 1 3 类金刚石涂层及其制备方法2 1 3 1 类金刚石涂层的特点与结构2 1 3 2p v d 和c v d 技术4 1 3 3p c v d 技术的基本原理与特点4 1 4 类金刚石涂层疲劳磨损的研究现状6 1 4 1 磨损的基础理论6 1 4 2 材料的疲劳磨损7 1 4 3 摩擦化学转移膜技术1 0 1 4 4 国内外研究现状1 1 1 5 课题的主要研究内容1 2 第二章p c 、，d 类金刚石涂层的制备及性能测试 2 1d l c 涂层的制备1 3 2 1 1 基体的选择：1 3 2 1 2 试验方法及工艺1 3 2 2d l c 涂层性能测试1 3 2 2 1 涂层表面粗糙度的测定1 3 2 2 2 涂层厚度的测定1 4 2 2 3 维式硬度的测量? 1 4 2 3d l c 涂层形貌的观测分析1 5 2 4 本章小结1 7 第三章d l c 涂层的疲劳磨损实验 1 8 3 1 疲劳磨损试验设计1 8 3 1 1 试验仪器1 8 3 1 2 实验条件及方法1 8 3 2 全接触条件下d l c 涂层摩擦磨损特性2 0 3 2 1 试验载荷对摩擦系数的影响2 0 3 2 2 试验载荷对磨损率的影响2 2 3 3 水平往复运动条件下d l c 涂层摩擦磨损特性2 3 3 3 1 试验载荷对摩擦系数的影响2 3 3 3 2 试验载荷对磨损率的影响2 5 目录 3 4 垂直运动条件下d l c 涂层摩擦磨损特性2 6 3 4 1 试验载荷对摩擦系数的影响2 6 3 4 2 试验载荷对磨损率的影响2 8 3 5 不同工况下涂层平均摩擦系数与磨损率的比较2 9 3 6 本章小结3 0 第四章d l c 涂层疲劳磨损机理研究3 2 4 1 影响d l c 涂层疲劳磨损性能的因素3 2 4 1 1 载荷对涂层疲劳磨损的影响3 2 4 1 2 物理机械性能对涂层疲劳磨损的影响3 2 4 2 试样磨损后表面形貌分析与疲劳磨损机理研究3 3 4 2 1 全接触条件下d l c 涂层磨损形貌及疲劳磨损机理研究3 3 4 2 2 水平往复运动条件下d l c 涂层磨损形貌及疲劳磨损机理研究3 5 4 2 3 垂直运动条件下d l c 涂层磨损形貌及疲劳磨损机理研究3 8 4 3 本章小结3 9 第五章d l c 涂层疲劳磨损f _ n 曲线4 1 5 1h e r t z 接触应力计算方法4 1 5 2 冲击情况下涂层与基体剥离的物理模型4 3 5 3 不同工况下d l c 涂层疲劳磨损f - n 曲线4 4 5 3 1 材料的疲劳曲线4 4 5 3 2d l c 涂层疲劳磨损f _ _ n 曲线4 5 5 4 本章小结4 7 第六章结论与展望 6 1 结论4 8 6 2 展望4 9 致谢5 0 参考文献。5 l 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文5 5 i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，它是研究在摩擦与磨损过 程中两个相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的- - i 1 科学技术，既是- - 1 1 - j 以研 究自然界普遍存在的摩擦、磨损、润滑现象为主要内容的普适性很强的基础学科，又是 一门以节约资源、能源，提高效益为重要目标的实用性很强的应用学科【l 】。 摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。据估计，美国由于缺乏摩擦学知识而每 年造成的损失占其国民生产总值的4 左右，以1 9 6 6 年计算，约损失2 0 0 0 亿美元；在 英国由于摩擦磨损造成的经济损失每年至少为5 1 8 0 0 万英镑以上，相当于1 9 6 5 年国民 生产总值的1 1 以上；我国每年因摩擦磨损造成的损失据估计达到上千亿元人民币【引。 目前，世界三分之一的总能源被一种或多种形式的摩擦所消耗，磨损导致了约6 0 的机 械材料损耗。因此，从经济和可靠性角度看，控制摩擦，减少磨损，改善润滑性能已成 为节约能源和原材料、缩短维修时间的重要措施。研究摩擦学的目的是为了减少或消除 表面摩擦磨损所造成的损失，提高生产效率，改善产品性能，减少零件失效，节约可观 资源。由于摩擦学对工农业生产和人民生活的巨大影响，因而引起世界各国的普遍重视， 近三十年来得到了迅速的发展，并成为机械、材料等学科中活跃的研究领域。 机械零件的损坏形式，一般可分为两类：第一类为非正常损坏，当零件在受到拉伸、 压缩、弯曲、扭转、剪切、冲击等外力作用是而引起开裂、折断，或发生超过允许范围 的变形，这种损坏往往是突然发生地，损伤的积累过程不明显；第二类为渐进性损坏，这 主要是因零件表面的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀等性能不足，导致零件的表面逐渐磨 损、剥落、锈蚀，而丧失精度和性能，这种形式的损坏，有一个明显的积累过程【3 j 。在生 产实践中，对损坏零件进行了大量的统计分析认为：第一类，即非正常损坏的零件一般 较少，约占5 左右；第二类，即渐进性损坏的零件占9 0 以上。物体表面的磨损，腐 蚀，疲劳是物体失效和破坏的三种主要形式。因此，减少零件损耗的重点，是要解决各 种零件的磨损和腐蚀问题。表面工程是经过表面预处理后，通过表面涂敷，表面改性或 多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构 和应力状态，以获得所需要表面性能的系统工程【4 】。对有些机械零件，特别是一些较大 的零件，其表面被磨损的部位，运用表面技术进行修复处理，就像新制造的零件那样能 满足使用要求。这不仅减少了材料、能源消耗，而且获得了较好的经济技术效益。常用 的表面技术有：电镀、电刷镀及化学镀技术，涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂技术， 真空蒸镀、真空蒸镀、离子溅射、离子镀等、化学气相沉积技术，分子束外延制膜、离 子束合成薄膜技术，以及喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束 相变硬化、离子注入表面改性等【4 j 。 江南大学硕士学位论文 1 2 课题的研究背景及意义 随着经济和科学技术的迅速发展，人们对各种产品抵御环境作用能力和长期运行的 可靠性、稳定性提出了越来越高的要求( 承受高温、高载荷、具备高硬度、高抗腐蚀性、 高减摩耐磨性和高耐疲劳性能以及美观、耐用等) ，这样就出现了各种新的表面工程技 术。气相沉积技术是近3 0 年来迅速发展的一种表面改性技术，是当代真空技术和材料 科学中最活跃的研究领域，它是利用气相之间的反应，在各种材料和制品表面沉积单层 或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能。它在不降低材料强度的条件 下，大幅度的提高其表面硬度，降低摩擦系数，增强耐磨性，节约材料，提高环保性。 随着气相沉积技术的飞速发展，薄膜的化学稳定性及高温抗氧化性更加突出，从而使其 应用在高速高温条件下成为可能。 几乎所有的固体材料都能制成薄膜材料。由于薄膜非常薄，通常为几十纳米到微米 级，因此需要有基体来支撑固定。薄膜和基体作为一个整体式不可分割的，薄膜喷涂在 基体上，彼此间相互发生作用，既受到约束又会产生内应力。基体的类型很多，包括微 晶玻璃、硬质合金、高速钢等，根据薄膜用途的不同，对基体的要求也不同。薄膜涵盖 的范围十分广泛，按用途可分为微电子学薄膜、光学薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄 膜、信息存储薄膜、防护薄膜、力学薄膜和装饰薄膜等；按膜层组成可分为金属膜、合 金膜、陶瓷膜、半导体膜、化合物膜、塑料膜及其他高分子材料膜等；按膜的结构可分 为多晶膜、单晶膜、非晶态膜、超晶格膜等：以氧化物、氮化物、碳化物等无机化合物为 原料，采用特殊工艺在一定的基体表面上沉积的陶瓷薄膜可分为功能薄膜( 利用薄膜本 身做成元器件) 和结构薄膜( 用于增强基体的使用性能，如耐磨损、耐腐蚀、装饰、太 阳能控制等) ，对于结构陶瓷薄膜，目前研究热点是耐磨耐蚀的多晶金刚石薄膜或类金刚 石薄膜，以及钛系化合物如t i c 、t i n 、t i c n 膜等，硅系化合物如s i c 、s i 3 n 4 膜，氧化 物如a 1 2 0 3 膜，以及多层复合膜如t i c t i c n t i n a 1 2 0 3 等【5 1 。 本课题从涂层薄膜材料的类别入手，主要研究涂层的摩擦磨损机理及不同工况条件 下的疲劳磨损性能。课题的研究方向主要集中在基础科学的研究上，通过对基体进行等 离子增强化学气相沉积( p c v d ) ，在其表面喷涂类金刚石涂层，以提高其硬度及耐磨性。 然后首先在宏观状态下对涂层表面进行硬度试验、摩擦磨损等试验，获得其硬度以及摩 擦系数，通过在电子扫描电镜中观察涂层摩擦磨损后微观形貌状态，分析出涂层的冲击 疲劳磨损的机理，找出影响其耐磨损性能的因素，从而为提高其应用性能打下理论基础。 1 3 类金刚石涂层及其制备方法 1 3 1 类金刚石涂层的特点与结构 类金刚石膜( d i a m o n dl i k ec a r b o nf i l m s ，简称d l cf i l m s ) 是一种性能非常类似于金刚 石膜的非晶碳膜，它具有极高的硬度和很小的摩擦系数，因此具有很高的耐磨性，同时 还具有极高的电阻率、电绝缘强度和热导率、光学折射率和高红外透射性，良好的化学 稳定性和生物相容性等特点，因此，d l c 膜在机械、电子、光学、声学、计算机以及医 学等领域得到了广泛的应用。1 9 7 1 年i s e n b e r g 等人【6 】首次利用碳离子制备出类金刚石薄 2 第一章绪论 膜，从而发现类金刚石薄膜生产工艺简单、沉积速度快、易于大面积沉积、沉积温度低 等许多优点，因而引起了广大科研工作者研究类金刚石薄膜的热潮。制备类金刚石方法 先后出现了物理气相沉积和化学气相沉积，主要的沉积方法有：真空电弧沉积、脉冲激 光沉积、喷射沉积等等。采用p v d 法制备d l c 膜的缺点是形成的薄膜与基片结合较差， 工艺重复性不好。采用p c v d 法制备d l c 膜的原理是把c h 4 和h 2 混合气体等离子化， 分解成c 、h 2 、h 和c x h y 基团，形成等离子体，等离子体中依靠电子的适当浓度保持 电中性。该方法的特点是设备相对简单，沉积温度低放电区域大，可作出较大面的能量 高于离子或中性粒子，有各种状态的游离基产生，促使碳与基片接触，从而沉积出类金 刚石薄膜【7 1 。 碳元素有三种同素异形体，即金刚石、石墨和各种无定形碳。碳原子按组成键的不 同存在3 种不同形态，即s p l 、s p 2 和s p 3 。在s p 3 键组态中，碳原子的4 个价电子分别和 相邻碳原子结合，形成一个正四面体取向的s p 3 杂化轨道，为加强的。键；在s p 2 组态中， 4 个价电子中的3 个与相邻碳原子结合，形成平面三角形的s p 2 杂化轨道，也是o 键， 第四个价电子则处在垂直平面的轨道，形成较弱的丌键；而在s p l 组态中，只有2 个价 电子形成o 键，其他的两个则形成键，如图1 1 所裂8 ，9 】： 甏鼻泉x 图卜1s p l 、s p 2 和s p 3 杂化键示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y b r i ds p l 、s p 2a n ds p 3 在金刚石中只存在s p 3 组态，石墨晶体中只有s p 2 组态，而类金刚石膜中则同时存在 三种组态，由于组成含有s p 3 杂化和s p 2 杂化的碳，因而表现出介于金刚石和石墨之间的 各种性质，在空间结构上是长程无序的，碳原子可能与另外的一至四个碳原子已共价键 结合，形成一种复杂结构，如图1 2 所示，这种结构是由共价键在空间形成的三维交叉 碳原子环网络，每个原子还与范德华力较远的原子发生作用，类金刚石膜就是由这种结 构碳构成【1 仉1 1 1 。 图1 - 2 类金刚石结构示意图 f i g 1 2s c h e m a ti cd i a g r a mo fd i a m o n d 一1i k ec a r b o n s t r u c t u r e 江南大学硕七学位论文 1 3 2p v d 和c v d 技术 近年来，d l c 涂层的制备工艺发展迅速，已经开发出多种制备方法。这些方法大体 分为两大类：物理气相沉积法和化学气相沉积法。 物理气相沉积技术p v d ( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 是在真空条件下，利用热蒸发、 溅射或辉光放电、弧光放电等物理过程，将镀料气化成原子、分子，或离子化为离子， 直接沉积到基体表面的方法。该技术处理温度一般低于5 0 0 。c 通常可控制在2 0 0 左右。 化学气相沉积技术c v d ( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 是一种化学气相生长法。这种方 法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体借气相作用或在基体 表面上的化学反应生成要求的薄膜。c v d 的反应温度较高，一般在8 0 卜l o o o 范围， 这样使普通钢材的基体强度会降低，使其应用受到了很大的限制。 1 3 3p c v d 技术的基本原理与特点 等离子增强化学气相沉积p c v d ( p l a s t i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 借助外部所加电 场的作用引起放电，使原料气体成为等离子体状态，变为化学上非常活泼的激发分子、 原子、粒子和原子团等，促进化学反应，从而在基材表面形成优质镀层。等离子体是离 子、电子、中性原子核分子的集合体，在等离子体中，粒子的运动收电磁相互作用支配， 相当大量的能量可以存储在等离子体粒子的内能中【1 2 】。由于再生长等离子体中电子能量 极高，它把电磁场中获得的能量通过弹性碰撞和非弹性碰撞传递给分子和原子，弹性碰撞 使分子和原子的内能增加，引起分解、电离激发和自由激化，所发生的碰撞绝大部分是非 弹性碰撞，因而沉积温度低，从而大大弥补了物理与化学气相沉积的不足【1 3 1 。 c v d 处理温度高于9 0 0 0 0 ，虽然膜基的结合力很好，但是需要对钢基体重新淬火硬 化，这不仅需要有真空淬火装置，防止镀膜在高温下氧化，还可能因反复加热冷却而使 工件变形。p c v d 技术通过等离子体的帮助，使反应温度降低，达到高速钢可以利用的 范围，这就大大扩展了应用领域。由于研制成本低，因此更易为科研院所采纳。p c v d 最早是利用有机硅化合物在半导体基材上沉积s i 0 2 ，后来在半导体工业上获得了广泛的 应用，如沉积s i 3 n 4 、s i 、s i c 、磷硅玻璃等待。目前，p c v d 已不仅用于半导体，还用 于金属、陶瓷、玻璃等基材上，做保护膜、强化膜、修饰膜、功能膜。p c v d 另两个重 要应用是制备聚合物膜以及类金刚石、立方氮化硼、a 1 2 0 3 等薄膜，展现了良好的发展 前景。p c v d 法形成的薄膜有如下特点： ( 1 ) 采用等离子体成膜，沉积温度比较低，一般在2 5 0 , - 一4 0 0 c ； ( 2 ) 低温成膜对基体影响小，并可避免高温成膜造成的晶粒粗大及膜层和基体间生成 脆相等问题； ( 3 ) 对基体和膜层表面的清洗作用提高了膜层的附着力； ( 4 ) 在较低电压下进行，等离子体环境中的粒子碰撞、电离等作用提高了膜层及成分 的均匀性，膜层组织致密，针孔少，内应力小，不易产生裂纹。 p c v d 技术一般采用直流法、射频法、微波法和同电子回旋共振方法激发等离子体。 图1 3 为p c v d 装置示意图。表1 1 中列出了以上各种方法的原理及其特性【1 4 】。 4 第一章绪论 射黧镰入 反废气体 图1 - 3p c v d 装置示意图 f i g 1 - 3t h em o d e lo fp c v de q u i p m e n t 5 江南大学硕：t 学位论文 1 4 类金刚石涂层疲劳磨损的研究现状 1 4 1 磨损的基础理论 磨损是一种普遍存在的现象，当两个物体相互接触并有相对运动的表面都会发生磨 损，它是伴随摩擦而产生的必然结果。在大多数情况下，磨损是表面微凸体相互作用而 引起的。新的摩擦表面具有一定的粗糙度，实际接触面积小，当发生相对运动时，接触 表面材料先产生变形，表面或表面附近的固体材料性能将发生变化，随后，在载荷作用 材料从表面剥离，转移到配副表面或者以磨屑形式挣脱表面。对于材料从一个表面转移 到另一个表面的情况，虽然有一个表面被磨损使其体积或质量损失，但就总体而言，并 没有体积或质量的净损失。在材料发生实际损耗之前，一般先产生损伤。磨损一般都被 认为是材料发生损耗，但固体材料的变形虽然不引起质量或体积的变化，也能引起磨损。 磨损是一个复杂的过程，它涉及机械、材料、物理、化学等许多学科，影响磨损的因素 很多，包括：工作条件、润滑状态、环境因素、材料因素、零件表面质量及物理化学特 性等。磨损的分类方法很多，主要有以下几种：粘着磨损、疲劳磨损、磨料磨损、微动 磨损和腐蚀磨损。 粘着磨损 粘着磨损是最常见的一种磨损形式，当两个固体表面相互滑动或拉开压紧的接触表 面时都会发生这种磨损。由于粘着作用，使摩擦表面的材料由一个表面转移到另一个表 面所引起的磨损称为粘着磨损。粘着磨损的主要特征是出现材料转移，同时沿滑动方向 产生不同程度的磨痕。影响粘着磨损的因素多而复杂，概况起来有两个方面，即摩擦副 的工作条件和摩擦副的材料特性。 磨料磨损 在相对运动过程中，把由外界硬颗粒或由表面微凸体的作用造成表面损伤的磨损称 为磨料磨损。磨料磨损是一种机制，主要特征是表面被犁削形成沟槽。另外从事研究土 砂、矿石、岩石等物料对零件的磨损也称为磨料磨损，这些物料与零件表面相互作用的 方式不只是滑动，还有冲击、滚动、冲刷等。磨料磨损过程的主要影响因素有磨料特性、 材料组织与性能及工况条件。 微动磨损 微动磨损是指两个配合表面之间由一微小振幅滑动所引起的一种磨损形式。微动磨 损与其他磨损形式一样，也是发生在有正压力作用下，并发生在相对滑动的两相接触的 表面。与普通的往复滑动的重要区别仅仅在于每次往复的距离不同，微动也是一种往复 运动，但振幅很小，一般处于几微米至上百微米之问。微动磨损的重要特征是两表面总 是在紧密的接触之中，磨屑不易排出。存在于接触面问的磨屑，经受两表面的作用发生 变形，同时也改变接触面间的接触情况。微动磨损的主要影响因素有：载荷循环次数、 相对滑动振幅、频率、载荷、环境条件、润滑油已经摩擦副材料等。 腐蚀磨损 6 第一章绪论 材料在摩擦过程中与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起的物质表面上损 失的现象称为腐蚀磨损。由于介质的性质、介质作用在摩擦表面上的状态以及摩擦副材 料性能不同，腐蚀出现的状态也不同，通常腐蚀磨损同时有两种作用产生，即化学作用 和机械作用。根据腐蚀介质的性质，腐蚀磨损可分为化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损。 1 4 2 材料的疲劳磨损 疲劳磨损的最普遍形式是出现在呈滚动接触的机器零件表面上。如滚动轴承、齿轮、 车轮、轧辊等，其典型特征为点蚀及剥落。这种形式的磨损也常被称为接触疲劳，因为 他也是在循环载荷作用下产生的表面失效形式，其过程同样包括裂纹的萌生、扩展及最 后断裂，与整体的疲劳断裂有很多相似之处，可以算作材料疲劳断裂的一种特殊形式。 因材在早期对磨损形式进行分类时，往往没有把接触疲劳划入磨损的范畴。但就其本质 来讲，它完全符合磨损的一般规律，即发生接触、摩擦，造成表面累计损伤并形成磨屑。 特别是后来，不仅在滚动接触，而且在滑动接触及其他磨损形式中，也都发现了表面疲 劳过程，其典型特征为浅层剥落。因此疲劳磨损完全可以被认为是一种独立的，而且是 相当普遍的磨损形式。近年来，很多摩擦学的权威人士把各种磨损形式的机制归结为四 种最基本的机制，即疲劳磨损、磨料磨损、粘着磨损及腐蚀( 摩擦化学) 磨损，并认为各 种复杂的磨损现象不外乎是四种基本机制的单独或综合的表现，这种观点的形成是磨损 科学中的一个重大进展【1 5 , 1 6 】。 在这个认识的基础上，可以把疲劳磨损定义为：“当两个接触体相对滚动或滑动时， 在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，在表面层将引发裂纹，并逐步 扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程 【1 。7 1 。表面接触疲劳是指表面材 料由于剪切或撕裂而导致的表面质量的进一步恶化，而一般的表面质量的恶化是由滚动 和滑动联合作用的结果，但工程中的表面疲劳不是单一的形式，在纯滑动的情况下，表 面疲劳能使表面产生一些扁平的疵点。滚动接触疲劳磨损的特征是：在达到临界转数后 形成很大的磨屑；在达到临界点之前，发生的磨损可以忽略不计；而一旦磨屑产生，则 零件寿命终结。 疲劳磨损与整体疲劳破坏的区别： ( 1 ) 整体疲劳的裂纹源都是从表面开始的，而疲劳磨损的裂纹，由于接触应力场 分布的特点，除去从表面萌生以外，还可能从亚表层内产生。另外两者裂纹扩展的途径 也有明显的区别。整体疲劳的裂纹一般都是从表面沿与外加力成4 5 。的方向扩展，超过 两三个晶粒以后，即转向与应力垂直的方向。而疲劳磨损的裂纹扩展方向或是平行于表 面，或是与表面成一定角度( 约l o 。3 0 。) ，而且只限于表面层内扩展。 ( 2 ) 在整体疲劳中，一般都存在明显的疲劳极限，即对某一种材料都有一个应力 极限，低于这个极限，疲劳寿命可以认为是无限的。而疲劳磨损则尚未发现这样的疲劳 极限。有个经验公式可以有效表示疲劳失效时间t 与最大接触应力a m 之间的数值关系 【1 8 】： 7 江南大学硕七学位论文 常量 t = 了 ( 1 1 ) 仃臃。 在点接触或线接触情况下，由于接触应力可以达到很高的数值，所以接触疲劳寿命 要比整体疲劳低的多。 ( 3 ) 在疲劳磨损中，除去循环应力作用以外，材料还经受了复杂的摩擦过程，可 以引起表面层一系列的物理化学变化，诸如残余应力、组织结构、缺陷特征、表面温度、 塑性变形以及各种机械及物理性能变化等等。这种情况下不但使疲劳磨损比整体疲劳处 于更恶劣的工作条件中，而且使疲劳过程变得非常复杂。所以一般人认为疲劳磨损主要 是个接触应力作用的问题，这只有处在完全弹流润滑状态，即油膜能把两个接触表面完 全分开的情况下才是近似正确的。如果处在部分弹流及边界润滑条件下，就不能不考虑 由于材料的直接接触所引起的一系列表面现象，及其对疲劳过程的影响。 ( 4 ) 接触应力的计算比引起整体疲劳断裂的应力强度因子的计算要复杂的多，这 不但是因为前者本身就是固体力学中的一个较难的领域，而且是由于一系列的因素会影 响根据理想光滑表面接触的假设条件( 如材料是均匀的、各向同性的、发生弹性变形等 等) 计算出来的结果。这些因素是：材料的不均匀性；材料表面的特征；载荷分布及接 触的不连续性；油膜建立情况；切向力的大小。 疲劳磨损经常被认为是滚动接触( 如滚动轴承，齿轮等) 所特有的磨损失效形式。 但随着磨损机理研究的深入发展。人们发现除去滚动接触以外，在其他多种磨损形式中 ( 如滑动磨损、磨料磨损、微动磨损、气蚀及冲蚀磨损等) 也都不同程度的存在着疲劳 过程。作为一种磨损机制，疲劳磨损具有相当的普遍性，可以认为在四中基本的磨损机 制中，它是最普遍的机制【1 9 1 。对于接触疲劳磨损，试样表面在磨损过程中会出现几种特 有的磨损形式，本文将介绍四种比较典型的疲劳磨损形式。 点蚀与剥落 按照磨屑和疲劳坑的形状，通常将表面疲劳磨损分为点蚀和剥落两种。点蚀裂纹一 般都从表面开始，向内倾斜扩展( 与表面成1 0 3 0 。角) ，最后二次裂纹折向表面，裂纹 以上的材料折断脱落下来即产生点蚀，因此单个的点蚀抗的表面形貌常表现为扇形；剥 落的裂纹一般从材料的亚表层开始，沿与表面平行的方向扩展，最后形成片状的剥落坑 2 0 j 。这两种磨损的疲劳坑形状如图1 4 所示。 剥层与擦伤 在磨损过程中剥层现象的出现，早在上世纪2 0 年代即有人著文论述。但发展成为 一套完整的磨损理论，则是由美国麻省理工学院n e s u h 教授提出的。n e s u h 教授和他 的合作者提出的剥层理论，是一种磨损的变形一裂纹机制，也可认为是疲劳机制。按照 磨损的剥层理论的一般描述，磨屑的形成是由下列相随事件所致【2 i 】： 当两个接触表面在法向载荷及切向力作用下滑动时，硬表面上的突起部分在软表面 上滑过，软表面上的接触部分各点上将经受一次循环载荷，由于产生塑性变形，在金属 表层将出现大量位错。但在最表层的位错( 其深度大约几十个微米) ，由于映像力( i m a g e f o r c e ) 的作用而消失，所以靠近表面材料的位错密度常常小于内部的位错密度，这表明 表层金属可以经受更大的塑性变形。 硬的物体沿着软表面滑动时，离开表面一定距离处将有位错塞积，如果材料内部存 在着硬质点、夹杂物、甚至空洞等缺陷或第二相时，就更容易形成位错塞积，或是基体 围绕质点发生塑性流动。裂纹一旦形成，根据弹性理论，就很容易使表面下的裂纹扩大， 当裂纹长度达到临界值时，表面与裂纹之间的材料被剪断，产生薄皮状磨屑。图1 5 为 剥层形成过程示意图。 9 江南大学硕上学位论文 滑动方向 。夕。一 图1 - 5 剥层形成过程 f i g 1 5t h ep r o c e s so fd e l a m i n a ti o n 擦伤是在滑动磨损中经常出现的一种严重磨损形式，它的定义常被确定为“以相对 滑动表面间形成局部焊点为特征的严重磨损 。这表明人们通常认为擦伤的本质属于粘 着磨损。擦伤会使摩擦系数及磨损率急剧增大，表面粗糙度明显，有时还伴随着有机器 的振动机刺耳的尖叫声。近年来，大量的研究工作表明粘着磨损只是擦伤现象的一种机 制，另外还有一种，特别是在油乳化条件下形成的擦伤，则是疲劳磨损，即以剥层形式 出现应变疲劳磨损【2 2 】。 1 4 3 摩擦化学转移膜技术 在过去几十年，大量的研究观察到在滑动摩擦副( 包括金属的、非金属的、润滑的、 无润滑的) 中存在有材料的转移( t r a n s f e r ) 现象。最初是看到摩擦表面的颜色变化，以 后是以光学显微镜、放射性试样，电子显微镜观察研究这一现象。转移层特性将影响摩 擦副的摩擦磨损行为。前苏联学者嘎尔库诺夫和克拉盖而斯基首先观察发现并明确提出 摩擦结点的选择性转移问题，他们发现把铜或铜合金与钢配副，在甘油或甘油加酒精的 混合溶液中滑动摩擦，在钢的表面形成薄的转移膜，使摩擦系数和磨损大大降低结果分 析表面，这种转移膜是富铜层，并称这种现象为选择性转移【2 3 1 。他们认为这是一种主要 由摩擦力的分子作用分量表征的摩擦相互作用，它是发生在摩擦表面的物理化学过程， 这一过程有助于摩擦表面的相对位移，减少磨损或是对磨损提供自适应【2 铊5 1 。 随着对转移层现象的研究，逐渐形成了摩擦化学转移膜技术，它是表面工程技术中 新的研究领域。该技术是利用摩擦过程中，元素与摩擦表面发生摩擦化学反应，在摩擦 表面生成一层具有减摩润滑作用的反应膜，有效地减少材料磨损失效的一种润滑技术， 摩擦化学转移膜可以分为物理吸附膜，化学吸附膜，氧化膜，化学反应膜，结合本文的 实验，这里主要介绍物理吸附膜和化学吸附膜【2 6 1 ： ( 1 ) 物理吸附膜一在低载荷低速运行状况下，当润滑剂中的极性分子靠分子间的 范德华力吸附在表面时，就产生物理吸附，由于它主要靠分子间作用力起作用，因而键 和能弱，而且对温度很敏感，温度升高，可以引起吸附膜的解析，重新排列，甚至熔化。 ( 2 ) 化学吸附膜一它往往是先形成物理吸附，然后在界面发生吸附反应而转变成化 学吸附膜，化学吸附膜主要靠化学键与固体表面起作用，因而它比物理吸附具有更强的 结合能。 l o 第一章绪论 1 4 4 国内外研究现状 由于d l c 薄膜与金刚石薄膜具有相似的性能，包括硬度高、摩擦系数低、电阻率 高、电绝缘强度和热导率高、光学性能高，同时具有良好的化学稳定性，抗腐蚀能力和 生产成本低等突出优点，已经在机械、电脑硬盘和光盘保护、光学、电子、航空航天、 医学等方面得到了广泛的应用。并且，对类金刚石涂层的研究也在世界范围内受到了广 泛的重视。 对类金刚石碳膜的研究大多集中于其摩擦学特性。类金刚石碳膜具有良好的耐磨性 能，摩擦系数较低，同时具有自润滑特性，可以直接应用在各种成型模具上，类金刚石 薄膜的摩擦学特性与摩擦接触点的表面化学和物理状态( 如周围环境气体或超高真空、 膜的掺杂元素及不同的蒸汽压等，膜的表面能、摩擦的温度、接触处压力及相对运动速 度) 有关【2 n 。 韩修训，阎鹏勋【2 8 】等采用磁过滤阴极弧等离子体沉积技术获得了力学性能优异的 d l c 涂层，在d f p m 型动静摩擦系数精密测定仪上考察了涂层在不同载荷及湿度下同 g c r l 5 钢对摩时的摩擦性能，研究发现在不同环境湿度下d l c 涂层的摩擦性能明显不 同。 清华大学的王慧，路新春等【2 9 1 n 用离面双弯曲磁过滤阴极真空弧沉积系统在单晶硅 片上制备d l c 薄膜，采用微摩擦磨损试验机考察了薄膜的结构、疲劳性能和摩擦磨损 性能。 陈曦，丁建宁等【3 0 】使用原子力显微镜对由等离子体电子回旋共振化学气相沉积技术 制备的超薄类金刚石薄膜的纳米摩擦性能进行了研究，结果表明试样的微观承载性能随 着膜厚的增加而显著增加，d l c 膜表层的微观承载性能和内层存在着较大的差异。 张伟，张纾，徐滨士等【3 l 】对用电子激发直流等离子体化学气相沉积设备制备d l c 硬软亚层多层膜，采用球盘摩擦磨损试验机探讨了其在真空，氧气及干燥空气下的摩 擦磨损行为，结果表明，不同摩擦环境下，多层结构对d l c 多层膜的摩擦系数影响较 小，但对其磨损率影响较大。 d u e c u o n gp h a m ，h y o s o k a h n 掣3 2 】研究了采用p c v d 方法沉积s i d l c 薄膜，在与 钢的滑动摩擦中的摩擦化学作用，并与采用同样方法制取的纯d l c 薄膜作了比较。结 果表明，s i d l c 薄膜的摩擦系数较纯d l c 薄膜从0 0 6 降低到0 0 2 2 ，但磨损率却增加 了，主要是由于s i d l c 薄膜在滑动摩擦过程中产生了摩擦化学反应。 t m m a n h a b o s c o i l m u l l e r 3 3 】研究了通过p a c v d 方法在t i 6 a 1 4 v 合金基体上涂 覆d l c 薄膜的摩擦腐蚀行为，结果发现涂覆d l c 薄膜后的t i 6 a 1 4 v 合金比未涂覆的具 有良好的抗腐蚀性，低磨损率和低摩擦系数。 p a u l e a u 和t h i e r yf 【3 4 】研究了m e - - d l c ( m e = c u ，a g ) 作为潮湿和氧化环境应用固 态润滑膜的性质，一般的固态润滑膜如d l c 或m o s 2 应用于如上环境会有不稳定的缺 点。他们采用微波等离子体辅助化学气相沉积结合磁控溅射方法，通过低能离子轰击得 到一种自组装层状结构薄膜，该结构薄膜在c 的粒子数分数约2 0 时，表现出潮湿环 境下非常小的摩擦系数( 约为o 1 ) 。 江南大学硕上学位论文 m o h r b a c h e r 等【3 5 】考察了p a c v d 类金刚石碳膜与刚玉对摩时的摩擦学特性，发现在 相对湿度r h = 5 一5 0 的大气环境下，类金刚石碳膜的摩擦系数随载荷不同而变化，出 现这种现象的原因在于类金刚石碳膜在高载荷下更易发生石墨化转变，从而使局部区域 的润滑性能得到改善。 1 5 课题的主要研究内容 硬质涂层在机械工业中，主要是用于切削工具、模具和耐磨损耐腐蚀零件的表面强 化。硬质涂层能显著提高工具、模具的使用寿命和被n - r 零件的质量。所以不断提高硬 质涂层工具、模具的的使用性能，努力掌握其应用技术，迅速扩大其应用范围，能极大 地促进机械工业发展。 类金刚石涂层作为优质硬质涂层的代表，在不同领域展现了广泛的应用前景国内外 对它的研究一直是热点问题，然而由于涂层过程和摩擦磨损过程影响因素众多，对于涂 层疲劳磨损作用机理和失效机理的研究目前还远远不够。对于采用p c v d 法涂覆类金刚 石薄膜的摩擦磨护性能研究还未多见报道，尤其是在特殊工况条件下( 水平往复运动， 垂直运动) 的疲劳磨损行为研究更是甚少，这正是本课题的研究方向及创新点。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 采用等离子化学气相沉积技术对试样表面进行处理； ( 2 ) 对喷涂后的涂层性能进行检测，包括显微硬度、镀膜厚度、表面形貌等进行分析 测试； ( 3 ) 在摩擦磨损试验机上对试样进行摩擦磨损实验，研究不同工况条件下的摩擦磨损 情况，建立疲劳磨损机理，为实际应用提供理论依据。 ( 4 ) 利用h e r - z 公式分析摩擦副的接触应力情况，建立d l c 涂层不同工况下载荷与 循环次数中等寿命区的f o n 曲线。 ( 5 ) 借助现代各种微观分析仪器，分析试样涂层表面的微观特征，对试件的冲击疲 劳磨损机理进行分析考证。 ( 6 ) 根据各种试验数据总结归纳影响其性能的重要因素。 1 2 第二章p c v d 类金刚石涂层的制备及性能测试 第二章p c v d 类金刚石涂层的制备及性能测试 类金刚石涂层( d l c ) 是一种与金刚石涂层性能相似的新型薄膜材料，它具有较高 的硬度，良好的热传导率，极低的摩擦系数，优异的电绝缘性能，高的化学稳定性及红 外透光性能。自a s i e n b e r g 和c h a b o t y 在1 9 7 9 年用离子束沉积法( i o n b e a md e p o s i t i o n ) 制得第一片d l c 薄膜以来【3 6 】，人们对类金刚石膜的特性、制备方法及其应用领域进行 了广泛和深入的研究，类金刚石产品已被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领 域。等离子增强化学气相沉积( p c v d ) 兼有物理气相沉积( p v d ) 和化学气相沉积( c v d ) 的 特点，它可在较低温度下制备高质量的各种膜层。 2 1d l c 涂层的制备 2 1 1 基体的选择 本实验采用优质碳素结构用钢4 5 钢，4 5 钢综合力学性能良好，淬透性低，调质处 理后具有良好的综合机械性能，广泛用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷 下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等，但表面硬度较低，不耐磨。所以可采用喷涂类金 刚石涂层的方法提高零件表面硬度及耐磨性。4 5 钢的物理机械性能如表2 1 所示： 2 1 2 试验方法及工艺 试验用基材为外径巾3 0 ，内径巾1 6 的圆环4 5 钢，经淬火，回火，表面磨削