DLC多层膜对1Cr18Ni9Ti钢微动磨损性能的影响

1  引言

    当两接触表面发生小振幅相对运动时，可能出现微动磨损。由于微动与磨损、腐蚀和疲劳等密切相关，因此采用表面改性技术可以改善材料的微动磨损性能。

    由于具有高硬度、低摩擦系数、耐腐蚀和良好的化学稳定性，类金刚石碳膜（diamond-like carbon film,DLC）受到广泛关注。然而，生长过程中产生的高内应力和高硬度使得DLC膜难以与基体的变形相协商，导致膜的脱落和失效。为了应用于摩擦领域，DLC膜与基体之间必须结合良好，并克服高的内应力。多层膜结构是既能减少内应力又能保证其表面力学性能的一个途径。Choy K/Ti/TiC/DLC和Ti/TiN/TiNC/DLC多层膜能够提高金属基体上DLC膜与基体之间的结合力，并能改善其磨损性能。

    本共总在一台多功能等离子源离子注入机上，采用非平衡控溅射与等离子体源离子注入（plasma source ion implantation,PSII）的混合技术，制备DLC多层膜，研究其对1Cr18Ni9Ti不锈钢微动磨损性能的影响，并将相同基体采用PSII注入氮的试样作为对照组。

2  试验方法与设备

    用哈尔滨工业大学研制的DLZ-1型等离子体源离子注入机对1Cr18Ni9Ti钢基体进行处理。该离子注入机配备非平衡控溅射和PSII过程。PSII克服了传统离子注入的视线式限制，而且由于与基体之间没有明显的界面，膜基之间的结合更好。处理前，先对试样进行机械抛光，再在丙酮中用超声波清洗10min，确保试样表面洁净。离子注入时，先抽背底真空到10^-3Pa，然后通入高纯氩气，再使气压升至0.5-0.8Pa，在基片上加-1kV的偏压，对基片表面进行溅射请。基体温度低于300℃。表1为DLC多层膜制备的工艺参数。采用PSII单纯注入N的工艺参数与表1中注入N的相同，注入时间为280min，注入剂量为1×10¹⁸/cm²，而DLC多层膜中N注入剂量为5×10¹⁷/cm^2。   

表1   DLC多层膜的制备工艺参数

   微动磨损试验在室温下(相对湿度为50%)进行，载荷为10N，振幅和频率分别为200μm和27Hz。对磨件用φ10mm的GGr15钢球，通过磨损面面积的大小来衡量材料的微动磨损性能。用掠射角X射线衍射仪(GXRD)和俄歇电子能谱仪(AES)分别测定改性层的相组成和成分的深度分布。

3  试验结果与分析

3.1  PSII注入层的相组成

    N/Ti、N/TiN/C/DLC多层膜的Raman光谱见图1（略）。位于1100-1700cm^-1之间的峰显示了典型的类金刚石结构。由于沉积DLC时采用C₂H₂和H₂的混合气体，因此所得到的DLC层是一个含H层。

    图2（略）为N注入层和复合注入层的GXRD谱，掠射角0.8º。图2（略）可见,γ-Fe基体峰的衍射强度非常大，这是由于注入层非常薄引起的；N注入过程中形成了Cr的氮化物CrN，还有Fe的氮化物ξ-Fe₃N。这些氮化物相的存在将提高材料表层硬度，有利于改善材料的微动磨损性能。据报道N⁺注入层中多层膜存在非晶层，但我们在试样中未发现。

    图2b（略）中的插图为矩形部分的放大图，可见，由于多层膜制备中C的注入和DLC的沉积，C峰强度很高。在TiN的沉积中，形成了TiN和Ti₂N。N注入过程中也形成了部分Cr的氮化物CrN。根据后面的AES结果可知，该多层膜比较薄，因此基体（ξ-Fe）的部分信息也出现在GXRD谱中。

3.2  PSII注入层元素的深度分布

    N注入层和复合注入层AES的元素社度分布见图3（略）。图3a（略）中N的分布呈典型的高斯分布，N的表面摩尔分数为20%，峰值为27%，N注入层的深度约为0.7μm。由于TiN沉积层的存在，图3b（略）复合注入层是DLC膜，表面处的C摩尔分数曲线相交，表明C⁺在注入过程中进入了TiN层。该过程有利于增强TiN膜与基体之间的结合，增强膜的粘附性。从图3b可见，本试验所制备的DLC多层膜厚度约为0.3μm，它比图3a的PSII注入N层薄。结合微动磨损试验结果可发现“尽管DLC多层膜的厚度较小，但该多层膜比N注入层更能提高1Cr18Ni9Ti钢基体的微动磨损性能。

3.3  微动磨损性能

    图4（略）是不同改性层的Knoop硬度值随载荷的变化。可见，随着试验载荷的见效，所测试硬度均有不同的提高，即所谓的显微硬度压痕尺寸效应。载荷过小时，因橡皮效应的影响，硬度值会急剧增大。当载荷为1g时，N注入层和多层膜的硬度急剧增大1000HK和1500HK。当载荷大于10g时，因受基体的影响，多层膜硬度值下降到600HK以下。

    图5（略）是不同处理1Cr18Ni9Ti钢的微动磨损结果。可见，未经处理基体的微动磨损性能最差，N注入层和DLC多层膜均能改善微动磨损性能。与喂经处理的样品相比，注N层的磨痕面积减少了30%，DLC多层膜的则减少了大约50%。说明采用PSII技术能够改善1Cr18Ni9Ti的微动磨损性能，且多层膜的耐磨性比单一的N注入层好。

    不同处理后1Cr18Ni9Ti钢的微动磨损形貌见图6（略）。微动磨损面呈椭圆形。基体的磨痕中充满了大片状磨屑，磨屑堆积在磨痕边缘（图6c略）；注入N后，样品的磨痕中片状磨屑的数量有所减少（图6b略）；而DLC多层膜的磨痕（图6c略）则表现出完全不同的结果。与图6a和6b相比，其表面粗糙度明显改善，而且所产生的磨屑数量更少。

    PSII处理改善微动磨损性能的原因在于它使基体表层产生了一个强化区。经过N离子注入后，基体表面产生大量的空位和间隙原子，形成各种位错，并形成CrN和Fe₃N等弥散的氮化物相。这些析出能够钉扎位错，强化表层，提高表面的硬度和强度，增加弹性极限，使得塑性变形变得困难，进而减缓磨损，减少磨屑数量。而且，表面塑性变形的减轻使得亚表面产生微裂纹和发生脆性断裂的机率降低，这也导致了磨屑数量减少，尺寸变小。

    有些作者认为DLC膜提高抗磨损性能的根源在于磨屑，因为磨屑中可能含有以石墨形式存在的碳，它具有润滑作用，能减小摩擦系数。Fu Y等则把耐磨性的提高主要归因于DLC膜的高硬度，低摩擦系数、残余压应力的存在和表面化学性质的改变等。本试验中，多层膜表面的硬度比注N层高，不易屈服，塑性变形程度降低，更能改善耐磨损性能。但是磨损行为并非仅由DLC膜的硬度决定。假如DLC膜硬度太高，那么软基体无法和硬质膜协同变形，容易造成膜的脆性失效。

4  结论

    （1）用PSII技术对1Cr18Ni9Ti不锈钢注入N层后，在改性层内形成了CrN和Fe₃N等氮化物相。

    （2）用PSII技术能够提高1Cr18Ni9Ti不锈钢的微动磨损性能，因为注入中形成的氮化物相和大量缺陷能够提高表面的硬度和强度。

    （3）用非平衡磁控溅射与PSII的混合技术制备的N/Ti、N/TiN/C/DLC多层膜比PSII注N层表现出更好的微动磨损性能。