鋼球表面制備復(fù)合碳基薄膜工藝研究

李振東，劉森，詹華，王亦奇，王偉平

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司，北京 100083；3. 中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，大多采用角接觸球軸承和圓柱滾子軸承，軸承在高速、高溫、受力復(fù)雜的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其質(zhì)量和性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能、壽命和可靠性[1]。接觸疲勞是航空軸承最主要的失效模式之一[2-4]，有多種因素影響滾動(dòng)軸承疲勞壽命[5]，如軸承的材料特性、幾何特性、表面特性、潤(rùn)滑狀態(tài)、載荷、溫度以及環(huán)境等。如何確定并提高滾動(dòng)軸承的疲勞壽命是軸承技術(shù)領(lǐng)域重要的研究方向，更是先進(jìn)航空器設(shè)計(jì)與應(yīng)用單位亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

采用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)對(duì)軸承進(jìn)行表面改性的研究和應(yīng)用日益增多，先進(jìn)工業(yè)國(guó)家已在多種機(jī)型或發(fā)動(dòng)機(jī)上有應(yīng)用。文獻(xiàn)[6-7]研究了啟停斷油工況的軸承使用壽命，采用PVD技術(shù)制備了類金剛石(DLC)涂層、硅摻雜類金剛石(Si-DLC)涂層、碳化鎢摻雜類金剛石(WC/C)涂層和碳化鈦(TiC)涂層，并開(kāi)展1 000 h模擬工況試驗(yàn)，結(jié)果表明：涂覆Si-DLC涂層的軸承溝道磨損量最小；涂覆DLC涂層的軸承溝道磨損量次之；涂覆TiC涂層的軸承磨損量最大。

現(xiàn)采用多功能離子鍍膜系統(tǒng)制備具有減摩耐磨性能的非晶碳基薄膜，研究鋼球表面非晶碳基薄膜的制備技術(shù)，并初步驗(yàn)證制備薄膜后鋼球的綜合性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選用材料為M50的試樣片(φ20 mm×8 mm)和鋼球(φ22 mm)。隨爐試樣與鋼球材料一致是為了方便薄膜的性能檢測(cè)。材料熱處理狀態(tài)為表面滲碳處理。材料成分見(jiàn)表1。每爐搭載5個(gè)試樣，若相同工藝連續(xù)2爐的薄膜性能穩(wěn)定，代表工藝可行。

表1 M50材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 制備非晶碳基薄膜

采用多功能離子鍍?cè)O(shè)備制備非晶碳基薄膜的工藝流程為：樣品表面清洗→烘干→真空離子清理→非晶碳基薄膜沉積→爐冷至100 ℃出爐。多功能離子鍍膜設(shè)備由矩形氣體離子源、陰極電弧系統(tǒng)和非平衡磁控濺射系統(tǒng)組成。非晶碳基薄膜的沉積溫度控制在150 ℃。薄膜具體制備方案為：先用沉積系統(tǒng)中配備的電弧Cr靶在基體上直接沉積CrN薄膜；再通過(guò)調(diào)整甲烷流量和離子源功率制備出非晶碳基薄膜。

1.3 鋼球表面制備非晶碳薄膜

在鋼球表面制備薄膜厚度的均勻性是關(guān)鍵技術(shù)要求，為此設(shè)計(jì)了非晶碳薄膜的制備工裝(圖1[8])及制備工藝，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鋼球表面制備非晶碳基薄膜的工藝參數(shù)

1—鋼球；2—導(dǎo)電支承柱；3—旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；4—支承座；5—萬(wàn)向節(jié)；6—?jiǎng)恿斎胼S

考慮到鋼球與接觸面位置薄膜不能良好成核、結(jié)合力和表面粗糙度差等因素，采用球鍍膜專用裝置，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化接觸點(diǎn)與支承托盤距離，避免沉積時(shí)的遮蔽效應(yīng)，托盤可隨真空室內(nèi)轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一爐填裝多個(gè)鋼球，保證鋼球表面制備的薄膜厚度均勻性。

1.4 試驗(yàn)方法

1)采用S-4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)非晶碳薄膜的截面形貌、膜層厚度進(jìn)行測(cè)試分析。

2)采用LabRAM HR Evolution型高分辨Raman光譜儀對(duì)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試分析，選用514 nm激光器激發(fā)，束斑直徑1.25 μm，功率150 μW/cm2，掃描時(shí)間60 s，累加次數(shù)1次。

3)采用MS-T3000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試，以φ4 mm的Si3N4球?yàn)閷?duì)磨材料，摩擦線速度0.2 m/s，行程1 000 m，軸向加載力 2 N，室溫。

4)采用Phase Shift MicroXAM-3D 三維白光干涉表面形貌儀對(duì)磨痕形貌、長(zhǎng)度、寬度進(jìn)行分析。

5)采用MFT-4000型多功能材料表面性能試驗(yàn)儀測(cè)定膜基結(jié)合力，設(shè)定終止載荷100 N，加載速度100 N/min，劃痕長(zhǎng)度5 mm。

6)采用洛氏硬度計(jì)在鋼球上施以150 kN的軸向加載力，保壓5 s，卸載后采用光學(xué)顯微鏡在400×的放大倍數(shù)下觀察壓痕邊緣。

2 結(jié)果與分析

2.1 非晶碳基薄膜的基本性能

2.1.1 非晶碳基薄膜的結(jié)構(gòu)

Raman光譜是一種常規(guī)的非破壞性結(jié)構(gòu)分析方法，常用于碳膜的精細(xì)結(jié)構(gòu)分析[9]。采用新一代高分辨Raman光譜儀，在波長(zhǎng)為514 nm激光器激發(fā)下試樣的Raman光譜線如圖2a所示。這是典型的非晶碳膜的Raman光譜圖。采用Gauss方法將其進(jìn)行分峰處理，Gauss分峰圖如圖2b所示，在1 553 cm-1處得到非晶碳膜中的G峰，在1 356 cm-1處的吸收峰為D峰。對(duì)試樣峰位進(jìn)行面積積分得到對(duì)應(yīng)的峰強(qiáng)ID和IG，ID/IG為1.25。

圖2 非晶碳膜的Raman光譜圖

2.1.2 非晶碳基薄膜的形貌

由于非晶碳基薄膜具有低硬度和高應(yīng)力的特點(diǎn)，與基體的匹配性差，所以通過(guò)梯度多層結(jié)構(gòu)以提高非晶碳基薄膜與基體的結(jié)合力。在M50鋼表面制備的非晶碳基薄膜的斷面形貌如圖3所示。由圖可知，薄膜整體上由2層組成，一層為柱狀晶結(jié)構(gòu)的CrN過(guò)渡層，一層為非晶態(tài)的碳基功能層。薄膜總厚度約2.25 μm，非晶碳基薄膜與過(guò)渡層CrN薄膜之間結(jié)合緊密，每層薄膜的結(jié)構(gòu)均很致密。

圖3 非晶碳基薄膜斷口形貌

2.1.3 非晶碳基薄膜的膜基結(jié)合力

按照ASTM C 1624 —2005《用定量單點(diǎn)劃痕測(cè)試法測(cè)定陶瓷涂層附著強(qiáng)度和機(jī)械故障種類的試驗(yàn)方法》測(cè)定膜基結(jié)合力。非晶碳基薄膜的膜基結(jié)合力測(cè)試曲線如圖4所示，其劃痕形貌如圖5所示。由圖4可知，當(dāng)加載力小于60 N時(shí)，摩擦力和摩擦因數(shù)很平穩(wěn)；加載力為60 N時(shí)，摩擦力和摩擦因數(shù)均出現(xiàn)拐點(diǎn)，并急劇增大，初步判定薄膜的膜基結(jié)合力為60 N。由圖5可知，當(dāng)加載力小于58 N時(shí)，劃痕邊緣未出現(xiàn)任何崩膜；當(dāng)加載力大于58 N時(shí)，膜層開(kāi)始崩落；當(dāng)加載力為63 N時(shí)出現(xiàn)膜層脫落，露出基體。綜上，判定非晶碳基薄膜的膜基結(jié)合力為58 N。

圖4 膜基結(jié)合力測(cè)試曲線

圖5 劃痕形貌

2.1.4 摩擦學(xué)性能

基體和非晶碳基薄膜的摩擦因數(shù)曲線和磨痕形貌分別如圖6、圖7所示。由圖6可知，基體的摩擦因數(shù)約為0.7，非晶碳基薄膜的摩擦因數(shù)僅為0.1，較基體降低了85%。由圖7可知，基體的磨痕寬度(0.683 mm)約為非晶碳基薄膜(0.113 mm)的6倍。由此說(shuō)明，在M50鋼表面制備非晶碳基薄膜可有效降低摩擦因數(shù)，減少磨損。

圖6 摩擦因數(shù)曲線

(a)M50基體

2.2 鋼球表面薄膜的性能

2.2.1 均勻性

鋼球表面制備薄膜后的圓度直接影響軸承的游隙范圍，可能增加軸承的振動(dòng)值，引起軸承噪聲，降低軸承的可靠性和壽命。

將鍍膜后的鋼球沿直徑剖開(kāi)，測(cè)量沿圓周方向均勻分布的8個(gè)位置(圖8)的膜層厚度。

圖8 鋼球測(cè)量位置分布

沒(méi)有采用工裝時(shí)鋼球表面制備薄膜的厚度分布圖如圖9a所示。由圖可知，圓周上最大膜厚與最小膜厚相差近一倍，最大厚度差達(dá)到了1.61 μm，不能滿足使用需求。薄膜厚度從頂部到底部逐漸變薄，鋼球中部與頂部厚度差較小，底部厚度變化最大。這是因?yàn)殇撉蛏喜亢蛡?cè)面沒(méi)有遮擋，靶材濺射出的物質(zhì)直接射向基體，沉積效率較快；而鋼球下部由于受到托盤等遮蔽，使薄膜的沉積效率變小。

采用設(shè)計(jì)的工裝配合薄膜工藝制備的鋼球表面薄膜厚度分布如圖9b所示。由圖可知，在最大的圓周上，薄膜最大厚度差減少為0.31 μm，由此說(shuō)明，采用合適的工裝并配合恰當(dāng)?shù)谋∧ぶ苽涔に囉兄诟纳其撉虮砻嬷苽浔∧ず穸鹊木鶆蛐浴?/p>

圖9 鋼球表面薄膜厚度分布圖

2.2.2 表面粗糙度

鋼球表面制備非晶碳基薄膜前后表面粗糙度的三維形貌如圖10所示。由圖可知，在鋼球表面制備非晶碳基薄膜并未顯著改變其表面粗糙度，鍍膜后的表面粗糙度值平均為0.038 μm，與鍍膜前(0.030 μm)相比，僅在納米級(jí)尺寸上略有提高，并未破壞材料的納米級(jí)(Ra=0.01～0.1 μm)光滑形貌。

圖10 鋼球表面粗糙度三維形貌

2.2.3 附著力和承載性能

參考VDI 3198：1992《Coating(CVD, PVD)of Cold Forging Tools》，評(píng)定薄膜的附著性為HF1[10-11]。附著力測(cè)試后薄膜的形貌如圖11所示。由圖可知，壓痕周圍沒(méi)有微裂紋，薄膜無(wú)剝落現(xiàn)象。這表明非晶碳基薄膜與M50軸承鋼基體表面有極好的附著性，薄膜可滿足應(yīng)用的需求。

圖11 鋼球表面薄膜附著力測(cè)試壓痕形貌

加載前后鋼球表面薄膜形貌如圖12所示。由圖可知，鋼球表面薄膜在加載保壓后并未出現(xiàn)開(kāi)裂或脫落，薄膜完好，說(shuō)明在較大的載荷工況下，鋼球表面薄膜具有極好的承載能力。

圖12 壓力測(cè)試前后鋼球表面薄膜的形貌

3 結(jié)論

1)采用多功能離子鍍膜設(shè)備制備出的碳基薄膜為典型的非晶碳膜結(jié)構(gòu)；薄膜由柱狀的CrN層和非晶態(tài)的碳基薄膜層組成；薄膜與基體之間有較好的膜基結(jié)合力，可達(dá)58 N；制備薄膜后摩擦因數(shù)較無(wú)薄膜基體降低了80%，磨痕寬度降低了約85%。

2)用設(shè)計(jì)的工裝配合非晶碳薄膜制備工藝在鋼球表面制備出的非晶碳基薄膜的均勻性較好，較無(wú)工裝鍍膜工藝提高了80%。

3)鋼球表面制備非晶碳基薄膜后的表面粗糙度值略有增加，但仍保持材料的納米級(jí)光滑表面形貌。

4)鋼球表面非晶碳基薄膜與基體的附著力達(dá)到HF1級(jí)，模擬工況測(cè)試鍍膜后鋼球的抗壓縮性能良好，完全滿足使用需求。