靶电流对磁控溅射减摩复合镀层组织与性能的影响*

郭巧琴，李建平

(西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021)



靶电流对磁控溅射减摩复合镀层组织与性能的影响*

郭巧琴，李建平

(西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021)

摘要：目前我国溅镀轴瓦依赖进口.采用非平衡磁控溅射在轴承合金表面制备了AlSn20/C复合镀层，分析了碳靶电流的改变对轴承合金表面复合镀层的表面形貌、硬度、耐蚀性、膜基结合力以及摩擦系数等的影响.研究结果表明：当碳靶电流在1.0～1.2 A时，非平衡磁控溅射AlSn20/C复合镀层；当碳靶电流为1.0 A 时，镀层表面组织均匀，铝原子、锡原子和碳原子达到最佳匹配；当碳靶电流在1.0～1.2 A时，镀层硬度与碳靶电流成反比，当其为1.0 A时，镀层硬度最高为601 HV0.025，结合力最高可达33 N，镀层的摩擦系数最低达到 0.12.

关键词：AlSn20/C复合镀层；硬度；结合力；摩擦系数

轴瓦是发动机中非常重要的零部件，随着高速高载柴油机发动机的发展，对轴瓦的耐磨性和抗疲劳强度提出更高要求，传统轴承已不能满足使用需求，要求其性能指标和机械特性须有更大的改进[1-2].文献[3]通过磁控溅射技术制备了AlSn20镀层，该镀层具有特殊组织结构，有较高抗疲劳强度.但是，该镀层摩擦系数相对较高(约为0.4)，而对于滑动轴承，要求具有较小的摩擦系数，其值越小，轴瓦使用寿命越高[4].文献[5-8]研究并分析了类石墨镀层的自润滑性和石墨在轴承中的减摩作用，研究发现虽然石墨可以降低轴承的摩擦系数，但是其韧性及抗疲劳性不足，不能完全满足轴瓦的使用要求.

因此，本文针对轴瓦的研究现状以及碳膜的优点，利用磁控溅射可以多组元掺杂的优点，在AlSn20镀层中掺杂碳元素，形成AlSn20/C复合镀层，进一步降低溅镀轴瓦的摩擦系数，从而提高其使用寿命，为采用磁控溅射离子镀技术制备轴瓦奠定研究基础.

1试验材料与方法

基体材料为AlZn4.5Mg轴承合金，其规格为∅40 mm ×5 mm.镀层制备采用UDP450型非平衡磁控溅射镀离子镀膜设备制备AlSn20/C镀层，如图1所示.采用2个Al靶、1个Sn靶和1个C靶的4靶配置.镀前试样首先用砂纸进行逐级预磨，随后抛光处理至镜面，超声清洗15 min后吹干放入真空腔.碳靶电流分别为0 A、1.0 A、1.1 A和1.2 A时，进行AlSn20/C镀层镀膜处理.

图1　设备真空腔示意图Fig.1　The schematic diagram of equipment vacuum chamber

采用HVS-1000维氏显微硬度计测量维氏显微硬度.载荷为25 g，保压时间为15 s.每个基体上取三个点测其硬度，取其平均值.膜基临界载荷采用WS-2005型涂层附着力划痕仪进行测量,最大加载载荷为100 N，加载速率为100 N·min-1.镀层摩擦磨损性能采用自制球-盘摩擦磨损试验机进行测量，实验环境温度为25±3 ℃，加载载荷为20 N，相对滑动速度为382 mm·s-1，测试时间为30 min.

2实验结果与讨论

2.1AlSn20/C镀层表面形貌分析

图2为碳靶电流分别为0 A、1.0 A、1.1 A和1.2 A 时镀层的表面形貌.由图2可看出，当碳靶电流为0 A时，镀层即AlSn20镀层表面主要由铝相和锡相组成，且锡相在镀层表面呈大块团聚状.当碳元素掺杂到AlSn20镀层时，且碳靶电流在1.0～1.2 A时，铝、锡和碳混合均匀，可以看出锡相尺寸明显减小.当碳靶电流为1.0 A时，镀层表面平整，成分均匀，随着碳靶电流的增大，锡相的尺寸逐渐增大，镀层表面相对疏松粗糙，局部出现间隙和孔洞.这是由于铝原子和碳原子的原子半径均小于锡原子，因此，在沉积的过程中，锡含量有限，仅为20%.因此，部分碳原子和铝原子作为溶质原子固溶到溶剂原子锡中，当碳靶电流较小时，锡相、铝相和石墨相有相对均匀的混合，随碳靶电流增大，锡原子来不及迁移，易发生偏聚，形成较大锡块[9].

2.2AlSn20/C复合镀层硬度分析

不同碳靶电流下，镀层硬度曲线如图3所示.由图3可知，碳靶电流在0～1.2 A范围时，随碳靶电流增大，镀层硬度呈先增大后减小的趋势.当碳靶电流为0 A时，AlSn20镀层的硬度值为220 HV0.025;当碳靶电流为1.0 A时，沉积的镀层获得最高的硬度值601 HV0.025;当碳靶电流为1.2 A时，沉积的镀层的有最低硬度值550 HV0.025.镀层的组织结构、成分和内应力影响镀层的硬度.随C靶电流增大，溅射能量提高，真空腔中单位时间内沉积到工件的粒子数量随之增多.从而镀层表面原子的扩散能力提高，有利于促进镀层中岛的合并和组织细化[10-11].另外，“阴影效应”是导致镀层表面粗糙化的一个主要原因，也是镀层组织中含有大量孔洞的最根本原因，导致镀层硬度降低.

2.3AlSn20/C复合镀层结合力分析

不同碳靶电流与镀层的结合力的关系曲线如图4所示.当碳靶电流为0 A时，镀层的膜基结合力为34 A;碳靶电流为1.0 A时，膜基结合力为33 N;而当C靶电流为1.2 A时,膜基结合力仅为16 N.由此可见，随着C靶电流的增大，镀层的膜基结合力减小，分析其原因是C靶电流较高时，C原子在基片表面来不及扩散，易形成明显界面，造成膜基结合力较低[12].

图2　不同碳靶电流下镀层的表面SEM形貌Fig.2　The SEM surface morphology of the coatings at different carbon target current

图3　镀层硬度与碳靶电流的关系曲线Fig.3　The relation curve between coating hardness and carbon target current

图4　结合强度与碳靶电流的关系曲线Fig.4　The relation curve between coating bond strength and carbon target current

2.4AlSn20/C复合镀层摩擦系数分析

镀层的摩擦系数与碳靶电流关系如图5所示.

图5　摩擦系数与碳靶电流的关系曲线Fig.5　The relation curve between coating friction coefficient and carbon target current

由图5可知，当C靶电流在0～1.2 A时，其镀层摩擦系数呈先减小后增大的趋势.当碳靶电流为0 A时，镀层即AlSn20的摩擦系数为0.35.当碳靶电流为1.0 A时，AlSn20/C镀层摩擦系数为0.12，随C靶电流增大到1.2 A时，摩擦系数增大到0.25.说明碳元素的引入可以降低AlSn20镀层的摩擦系数，但是随碳靶电流增大，AlSn20/C镀层摩擦系数反而增大.由于AlSn20中掺杂碳元素后，在摩擦过程中碳膜和偶件的摩擦面之间会形成低剪切强度转移层,导致摩擦系数降低.另外，由于阴影效应,使镀层表面变得粗糙,镀层摩擦系数也随之增大[13].

3结 论

1) 碳靶电流在1.0～1.2 A时，非平衡磁控溅射AlSn20/C复合镀层，当碳靶电流为1.0 A 时，镀层表面组织组织均匀，铝原子、锡原子和碳原子达到最好的匹配.

2) 碳靶电流在1.0～1.2 A时，非平衡磁控溅射AlSn20/C复合镀层碳靶电流与镀层的硬度成反比，在碳靶电流为1.0 A时，沉积的复合镀层获得最高的硬度值601 HV0.025.

3) 碳靶电流在1.0～1.2 A时，非平衡磁控溅射AlSn20/C复合镀层，当碳靶电流为1.0 A 时,镀层与基体的结合力最高可达33 N.

4) 碳靶电流在1.0～1.2 A时，非平衡磁控溅射AlSn20/C复合镀层，当碳靶电流为1.0 A 时，镀层的摩擦系数最低达到0.12.

参 考 文 献：

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(责任编辑、校对潘秋岑)

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.009

*收稿日期：2015-11-09

基金资助：陕西省西安市科技计划项目(CXY1442(2))；陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JQ2-5027)

作者简介：郭巧琴(1979-)，女，西安工业大学副教授，主要研究方向为材料表面改性.E-mail:guoqiaoqin66@126.com.

文献标志码:中图号：TB43A

文章编号：1673-9965(2016)06-0481-04

Influence of Target Current on the Microstructure and Properties of the Antifriction Composite Coatings Prepared by Magnetron Sputtering

GUOQiaoqin,LIJianping

(School of Materials and Chemical Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:The bearing prepared by magnetron sputtering depends on importing.The AlSn20/C composite coatings on bearing alloy were prepared by magnetron sputtering.The influence of graphite target current on the microstructure，hardness,corrosion resistance,bonding force and friction coefficient was analyzed.The results show:While the graphite target current is 1.0 A,the surface structure is uniform,the atoms of Al and Sn match well.The hardness of the coating is inversely proportional to the graphite target current,in the scope of 1.0～1.2 A.While the graphite target current is 1.0 A,its hardness is the hardest,i.e 601 HV0.025,the bonding force between coating and matrix is 33 N,and the friction coefficient achieves 0.12.

Key words:AlSn20/C composite coating;hardness;bonding force;friction coefficient