吉超超，郭巧琴

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安 710021)

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，軸瓦、襯套耐磨零件的服役條件進(jìn)一步惡化，因此對(duì)其性能要求也越來越高。軸瓦作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件之一，要求其有良好的減摩性、抗咬合性、順應(yīng)性及抗疲勞強(qiáng)度，其性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和使用壽命，雙層軸瓦已不能滿足使用要求。目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是三層軸瓦，即在鋼背/軸承合金層表面采用物理氣相沉積(Physical Vapour Deposition，PVD)技術(shù)制備減摩鍍層[1-3]。國(guó)內(nèi)普遍采用銅鉛合金軸瓦和雙金屬帶軸瓦，其減磨性能與Miba公司的濺鍍AlSn軸瓦有較大的差距，因此國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)主要進(jìn)口Miba公司的軸瓦。對(duì)于國(guó)產(chǎn)高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)也急需采用性能優(yōu)異的耐磨及自潤(rùn)滑軸瓦防護(hù)涂層制備技術(shù)，以期提高軸瓦的工作穩(wěn)定性和使用壽命。國(guó)外AlSn20鍍層是奧地利美巴公司的專利，具有較好的順應(yīng)性、減摩性及抗疲勞性，但是通過文獻(xiàn)調(diào)研及美巴瓦解剖實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其摩擦系數(shù)較高[4-7]。石墨有脂肪質(zhì)感，滑膩，在垂直于六面層的方向能夠承受較大的壓力，具有較強(qiáng)的減震能力和自潤(rùn)滑作用，高溫度下也具有較好的減摩作用；石墨在潮濕的大氣中，由于能吸附空氣中的水蒸氣(吸收率為7%～13%)，使各個(gè)微晶邊緣上的表面力達(dá)到飽和，降低了相鄰各微晶的黏著力，因此，通過顯著地降低摩擦系數(shù)(0.05～0.19)，使其在很小的切向力作用下即可發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，所以類石墨鍍層是優(yōu)良的自潤(rùn)滑鍍層材料[8-10]。因此，本課題擬利用磁控濺射技術(shù)可以多組元摻雜的優(yōu)點(diǎn)，在AlSn20鍍層中摻雜碳粒子，形成Cp/AlSn復(fù)合減摩鍍層，進(jìn)一步降低軸瓦的摩擦系數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)所用基體材料為：AlZn4.5Mg合金，其尺寸為?40 mm×5 mm。采用JT-500磁控濺射多弧復(fù)合鍍膜機(jī)制備Cp/AlSn復(fù)合鍍層，采用一個(gè)AlSn20靶(純度為99.99%)和一個(gè)C靶(純度為99.99%)的配置，并通入氬氣作為反應(yīng)氣體。

鍍膜前先對(duì)試樣預(yù)處理，依次用1000#和3000#砂紙打磨試樣，然后進(jìn)行拋光處理至試樣表面光亮無痕。之后將試樣置于超聲波容器中使用丙酮溶液清洗10 min，脫水干燥后放入真空腔室內(nèi)。基體偏壓為-120 V，AlSn20靶電流為0.2 A，濺射時(shí)間分別取10 min、20 min和30 min，制備鍍層。鍍層厚度為2.1 μm、2.7 μm和3.3 μm。

采用Quanta-400F掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對(duì)鍍層表面形貌進(jìn)行觀察；利用X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)儀(型號(hào)：XRD-6000)分析鍍層的相組成；采用WS-2005型劃痕附著力測(cè)試儀對(duì)鍍層的膜基臨界載荷進(jìn)行測(cè)試，其最大加載力為50 N，加載速度為50 N·min-1。

2 結(jié)果及分析

2.1 鍍層表面形貌分析

圖1為不同濺鍍時(shí)間下Cp/AlSn鍍層的表面形貌。由圖1(a)可見，鍍層較為疏松，晶粒尺寸較大，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍層表面晶粒尺寸減小，致密度增加。鍍層的形成過程劃分為4個(gè)階段：形核、核的凝聚、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和連續(xù)成膜階段[11]。隨著時(shí)間的增加，這4個(gè)過程會(huì)被依次完成。首先，鍍層處于小島階段，此階段包含形核和核生長(zhǎng)；然后是核凝聚；之后為網(wǎng)狀階段，此階段小島被拉長(zhǎng)結(jié)合成網(wǎng)狀薄膜；隨著鍍膜時(shí)間延長(zhǎng)，粒子不斷沉積，大多數(shù)溝道很快被消除，薄膜變?yōu)檫B續(xù)狀，當(dāng)所有的溝道(網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))被外來原子填滿時(shí)，連續(xù)膜即形成。鍍膜過程實(shí)際是濺射粒子的濺射和沉積過程，而濺鍍時(shí)間越長(zhǎng)，試樣表面沉積的粒子越多，所以膜層越均勻，致密度越高。

2.2 原子力顯微鏡表面微觀形貌分析

圖2為不同濺鍍時(shí)間下鍍層原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope ，AFM)的微觀形貌。由圖2可知，圖2(a)和圖2(b)中的鍍層表面均較為平緩，顆粒間隙較大，表面呈網(wǎng)狀薄膜。圖2(b)中膜層表面呈小島狀，且有孔洞和溝道。由圖2(c)可知，隨著濺射時(shí)間增加，鍍層表面粗糙度發(fā)生變化，晶粒變細(xì)且數(shù)目增多，溝道變小，島狀更為突出，且島狀生長(zhǎng)與層狀生長(zhǎng)方式相互交錯(cuò)。鍍層生長(zhǎng)模式分為：島狀生長(zhǎng)、層狀生長(zhǎng)、島狀與層狀相結(jié)合的生長(zhǎng)模式[12-13]，此過程濺射出來的原子或原子團(tuán)不斷與其他單原子或原子團(tuán)結(jié)合而逐漸長(zhǎng)大，伴隨結(jié)合松散原子團(tuán)的解吸和表面擴(kuò)散等機(jī)制，原子團(tuán)相互聚合形成小島，小島繼而相互聚集成為大島。大島之間相互接觸而溝通，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)薄膜，網(wǎng)狀薄膜的孔洞內(nèi)形成二次小島，隨小島長(zhǎng)大孔洞逐漸被填滿，溝道也不斷增厚，最終形成連續(xù)的薄膜[14]。

圖1 不同濺射時(shí)間下Cp/AlSn鍍層表面形貌

圖2 鍍層的原子力顯微鏡形貌

2.3 截面SEM分析

圖3為不同濺鍍時(shí)間下鍍層的截面形貌。由圖3可知，隨濺射時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍層致密性及厚度逐漸增加。濺鍍時(shí)間越長(zhǎng)，意味著有更多的帶電粒子轟擊靶材，因此，濺射出的靶材粒子數(shù)量越來越多，經(jīng)過粒子沉積膜層變厚。

2.4 鍍層相組成分析

圖4為Cp/AlSn鍍層的XRD圖譜，由圖4可知，該鍍層在Al(111)面和Sn(400)面上有較強(qiáng)的衍射峰，這是由于Al為面心立方晶體，主要沿晶面(111)生長(zhǎng)所需的能量小，因此主要在(111)面上生長(zhǎng)， Sn主要在面(400)上生長(zhǎng)。C為非晶，且摻雜量少，其非晶胞衍射強(qiáng)度小。

2.5 Cp/AlSn鍍層硬度測(cè)試分析

圖5為薄膜的本征硬度與濺射時(shí)間的關(guān)系圖。由圖5可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍層的硬度逐漸增加，當(dāng)濺射時(shí)間為30 min時(shí)，鍍層硬度達(dá)到最大值146.96 HV。濺鍍過程中隨著沉積時(shí)間增加，組織致密度越高，鍍層抵抗硬物壓入其表面的能力增加，硬度提高。另外，隨濺射時(shí)間增加，鍍層中碳含量逐漸升高，由文獻(xiàn)[15]可知，非晶碳膜具有高硬度、高耐磨性及低摩擦系數(shù)特征。而碳相對(duì)于鋁、錫硬度更大，摻雜后可行成硬質(zhì)顆粒，導(dǎo)致鍍層硬度逐漸增加。

圖5 薄膜的本征硬度與濺射時(shí)間的關(guān)系圖

2.6 Cp/AlSn鍍層膜基結(jié)合力測(cè)試分析

Cp/AlSn鍍層的膜基結(jié)合力如圖6所示。從圖6可以看出，隨著濺射時(shí)間的增加，鍍層的膜基結(jié)合力先增加后減小。當(dāng)濺射時(shí)間為20 min時(shí)，結(jié)合力達(dá)到最大值21 N。當(dāng)濺射時(shí)間為10 min時(shí)，膜基結(jié)合力最小為18.3 N。這是由于隨著時(shí)間增加，鍍層逐漸變厚導(dǎo)致。當(dāng)濺射時(shí)間大于20 min時(shí)，膜基結(jié)合力逐漸降低，這是由于鍍層在達(dá)到一定厚度時(shí)，粒子的結(jié)合力就會(huì)下降。

圖6 Cp/AlSn鍍層膜基結(jié)合力與濺鍍時(shí)間的關(guān)系圖

圖7為不同時(shí)間下Cp/AlSn鍍層劃痕形貌。從圖7可以看出，隨著加載力的不斷增加，試樣表面劃痕從左向右逐漸變寬，圖7(a)和圖7(c)中劃痕邊緣出現(xiàn)疏松，圖7(b)中劃痕比較平滑。這是由于隨著時(shí)間增加，會(huì)有更多離子沉積在金屬基體表面，而結(jié)合力越好，劃痕邊緣就不會(huì)出現(xiàn)疏松及側(cè)邊脫落等現(xiàn)象。

圖7 不同時(shí)間下Cp/AlSn鍍層劃痕形貌

3 結(jié) 論

本文采用磁控濺射離子鍍制備了Cp/AlSn鍍層，通過研究其組織及性能，得出結(jié)論為：

1) 鍍層的表面形貌呈現(xiàn)典型的島團(tuán)狀聚集態(tài)，隨著濺鍍時(shí)間的增加，鍍層表面顆粒變小，溝道變少，且表面粗糙度減小，薄膜由呈島狀生長(zhǎng)變?yōu)閷訝钌L(zhǎng)；隨著時(shí)間的增加，鍍層中碳含量逐漸增加，會(huì)降低鍍層摩擦系數(shù)，提高膜層硬度。

2) 隨著濺鍍時(shí)間的增加，鍍層厚度和膜層硬度增大。當(dāng)濺鍍時(shí)間為30 min時(shí)，厚度最大，為3.3 μm，鍍層硬度最大，為146.96 HV。在實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)對(duì)硬度和結(jié)合力的需求，可將濺射時(shí)間控制在20～30 min范圍。

3) 采用磁控濺射離子鍍的濺鍍時(shí)間在10～30 min范圍時(shí)，試樣長(zhǎng)劃痕軌跡內(nèi)出現(xiàn)剝落和弧形破壞，濺鍍時(shí)間為20 min時(shí)有最佳結(jié)合性能，結(jié)合力為21.0 N。