铝合金表面磁控溅射类石墨镀层组织与性能研究

郭巧琴， 李建平， 郭永春

(西安工业大学材料与化工学院，陕西西安 710021)

引 言

铝及其合金具有密度小、延展性好、比强度高、导电及导热性好等优点。目前，在汽车、船舶、机械、航空和航天工业已大量应用。但其缺点是较软、摩擦系数较高，导致其耐摩擦磨损性能差，应用受到了限制［1-2］。为了克服铝合金的缺点，延长其使用寿命，采用表面改性技术对其进行改性尤为重要。非平衡磁控溅射技术是20世纪80年代发展起来的一种新的表面处理技术，它可以在微米甚至纳米尺度上进行多元成分掺杂，且组织均匀、致密。类石墨镀层(GLC镀层)是一种新型碳膜，具有高硬度、低摩擦系数和良好的耐磨性等性能［3-4］。本文采用非平衡磁控溅射离子镀技术在铝合金表面制备GLC镀层，研究基体偏压对铝合金组织与性能的影响，为其应用奠定基础。

1 实验

选用AlZn4.5Mg铝合金，其主要成分为4.5%Zn，1.5%Mg，0.32%Si，余 量 Al，试 样 规 格 为Φ40mm×5mm。

采用UDP450非平衡磁控溅射镀膜设备(如图1所示)制备类石墨镀层，设备真空室内径 d为425mm，实验中采用2个碳靶、2个铬靶四靶配置。

图1 UDP450设备原理图

镀前将试样进行预磨和抛光处理，然后用乙醇和丙酮超声波清洗10min，经冷风吹干后放入真空室。分别通过调整基体偏压为 －60、－90及－120V，进行镀膜处理。

采用SPI3800-SPA-400型原子力显微镜(AFM)观察镀层表面的三维形貌及测试粗糙度。应用WS-2005涂层划痕附着力测试仪对镀层的临界载荷进行测试，最大加载为50N，加载速度是10N/min。镀层硬度测试采用HVS-1000维氏显微硬度计，其测试条件载荷为0.25N，保压15s。采用自制销-盘摩擦磨损试验机对镀层的摩擦系数进行测试，所用摩擦副为GCr15钢球，d为5mm，转盘d为43mm，转盘线速度为200mm/s，载荷为40N。

2 结果与分析

2.1 镀层形貌及粗糙度

采用原子力显微镜对GLC镀层的表面三维形貌和粗糙度进行观察和测试，其结果如图2及图3所示。

图2 不同偏压下镀层表面AFM三维形貌

图3 不同偏压下镀层表面粗糙度曲线

由图2可知，在不同基体负偏压时镀层以岛状方式生长。随偏压值的增大，岛状尺寸和镀层晶粒均减小，表面更加光滑平整。由图3可知，随着基体负偏压值增大，镀层表面粗糙度逐渐减小。当基体偏压值为0V时，Ra=20.56nm，当基体偏压值增加到－120V时，Ra=5.46nm，说明随着基体负偏压值增大，镀层表面的粗糙度逐渐减小。这是由于随基体负偏压值的增加，薄膜生长过程随之减弱，从而导致镀层表面粗糙度降低［5］;另外，随基体负偏压增大，电场中离化后的离子受到的作用力增加，从而获得较大的动能，离子轰击后靶材产生的原子或离子的初动能增加，当溅射到基片时原子的扩散能力提高，原子易于扩散至镀层较低位置处，从而降低镀层表面粗糙度［6］。

2.2 临界载荷测试

图4是由划痕附着力测试仪测试的镀层临界载荷曲线。由图4可知，当基体偏压为0V时，镀层膜基临界载荷为12N，当基体偏压增大到－120V时，镀层的膜基临界载荷增大到42N。说明随基体负偏压增大，镀层膜基临界载荷逐渐增大。施加于基体上的偏压越大，轰击离子的能量越高，离子运动的速率也越大，从而可溅射掉薄膜生长表面上结合较为疏松的原子并以能量传递的方式对薄膜内部原子进行轰击。当偏压值继续增大时，薄膜的致密性增强，导致结合力逐渐增大［7］。

图4 不同偏压下镀层临界载荷曲线

2.3 镀层硬度测试

不同偏压下制备的GLC镀层硬度如图5所示。

图5 不同偏压时镀层硬度曲线

由图5可知，当基体偏压为0V时，镀层的硬度为130HV，随基体偏压增加至－120V时，镀层的硬度为235HV。由此可见，随基体负偏压增加，镀层硬度逐渐增加。偏压的作用可以吸引高能离子轰击镀层表面，从而使镀层更加致密。碳原子被高能氩离子从靶材上溅出以后，依赖荷能离子转移的能量在真空室中运动，有的直接沉积到基体表面上，部分原子在真空腔中被电离成离子，这些被电离的靶材离子在偏压作用下，一边沉积，一边轰击镀层表面和基体［8-9］;另外，偏压还吸引部分荷能氩离子对镀层进行轰击，这样在轰击的作用下，部分和基体结合不牢固的原子就会被溅射出去，同时由于偏压的作用，使得靶材离子具备足够高的能量在镀层的表面迁移，增强了基体表面的成膜能力，减少了镀层的微观孔隙率，进而提高了镀层的致密度;在一定范围内偏压越大，轰击能量就越大，镀层就越致密，从而增大了镀层的硬度［10］。

2.4 镀层摩擦系数及磨痕形貌

图6为销-盘摩擦磨损试验机测试的镀层摩擦系数曲线。图7为摩擦系数测试后镀层表面的金相显微形貌。

图6 不同偏压下镀层的摩擦系数曲线

图7 不同偏压下镀层的磨痕形貌

从图6可知，对于纯基体，未施加基片负偏压时，镀层的摩擦系数约为0.35。当施加基体偏压－60V时，镀层摩擦系数为0.30，随基体偏压继续增加至－120V时，镀层摩擦系数降低至0.19。说明铝合金表面施镀类石墨镀层可以降低铝合金的摩擦系数，且随基体负偏压的增加，其摩擦系数逐渐减小。这是由于在基体负偏压的作用下，镀层在生长过程中受到高能粒子的轰击，可以更好地使靶材粒子直接冲击基体，更好地使基体表面的原子活化，提高基体表面原子的活化率，从而提高了膜层与基体的结合力和硬度，因此，镀层的摩擦系数减小［11-13］。

由图7可知，基体未施加偏压时，经磨损试验后，镀层大部分区域磨损严重，形成明显沟槽，且表面有大量黏着物。这是因为基体与GCr15钢球之间的摩擦力较大，磨损过程中形成的磨屑，容易黏附在镀层表面形成黏附物，在切向摩擦力的长期作用下镀层上有的区域发生疲劳剥落而留下凹坑，说明铝合金基体的磨损机理主要为黏着磨损和磨粒磨损。当基体施加－60V偏压后，镀层的磨痕变窄，犁沟变浅，但是表面有较多粘着物。说明镀层磨损机理主要为粘着磨损为主。随基体偏压继续增大至－120V时，镀层的磨痕继续变窄，变浅，磨损机制主要以磨粒磨损为主。

3 结论

1)基体偏压在－60～－120V范围内，类石墨镀层均以岛状方式生长。且随着偏压值的增大，岛状尺寸减小，镀层晶粒减小，粗糙度减小。

2)基体偏压在－60～－120V范围内，随基体负偏压增大，镀层膜基临界载荷逐渐增大。当基体偏压为－120V时，镀层的膜基临界载荷最大为42N。

3)基体偏压在－60～－120V范围内，随基体负偏压增大，镀层摩擦系数减小，当基体偏压为－120V时，镀层摩擦系数最低为0.19，其磨损机制由磨粒磨损和粘着磨损转变为磨粒磨损。

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