DLC膜在不同金属基材上的摩擦特性及其沉积系统的设计

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针对DLC薄膜在精密零部件中的应用,研究了在常温条件下沉积高界面强度的DLC薄膜的技术,以提高DLC膜与金属基材之间的界面结合强度。在本研究中,DLC薄膜通过自制的RF-DC双电源CVD镀膜设备制备,并研究了其沉积在不同金属基材上所表现出的摩擦特性。该镀膜设备为一个带有高低真空测量装置及其辅助装置的超高真空系统。在该系统中,为能使0.2m3的真空室在30min内达到极限真空1×10-7Pa,采用了抽速为1600L/S复合分子泵与抽速为550L/S钛升华泵并联作为主泵,抽速为30L/S的旋片式机械泵串联复合分子泵作为前级泵的抽气系统。自真空室出口至复合分子泵入口段的总流导为853L/S。在常温条件下,通过PECVD法制备中间层的反应气体为(CH3)4Si与H2,制备DLC薄膜的反应气体为C2H2与H2。通过在DLC薄膜与基材之间沉积一层a-Si:H过渡膜,研究了其与基材Ti、Ti-6Al-4V、S45C、SKH51之间的结合强度,并分析了复合膜的破坏机理。在Ball-on-Disk摩擦试验机上,测定了摩擦系数、局部磨损面积以及磨损深度,并评价了其摩擦特性。实验结果表明:在常温条件下,将DLC膜直接沉积在金属基材上,膜基之间的粘着性是非常弱的,并在基材与薄膜之间出现了明显的裂纹;通过施加a-Si:H中间过渡层,界面处的结合强度得到明显改善,在摩擦实验中,DLC膜被完全磨损,未发生剥离现象;摩擦系数与摩擦副的材质有关,一般情况下,摩擦系数在0.1~0.15之间,且采用金属材料摩擦副时的摩擦系数比陶瓷材料的稍高。在实验过程中,将SUJ2球、Si3N4球、SUS304球与SiC球作为摩擦副时,摩擦系数在Si3N4球时最低,约0.1;本文也研究了膜厚对界面结合强度的影响,采用直流等离子体增强化学气相沉积法沉积4h,获得较厚的DLC膜,实验表明,沉积薄膜的最大厚度不超过3.3μm,当摩擦循环量达到70万周时,磨损厚度约为1μm,表明厚膜化处理的DLC膜的摩擦阻抗与薄DLC膜相同,但随着膜厚的增加,膜内的残余应力也增加,对于厚膜拥有更高的界面结合强度是必要的;厚膜化处理后,DLC膜的疲劳破坏寿命约为240万周,薄膜未发生剥离,界面仍具有较高的结合强度。得到的结果验证了a-Si:H-DLC薄膜与金属间的结合强度与摩擦特性能够满足精密机械零件的使用要求。
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