CrC中间层碳含量对CrC/a-C∶H涂层附着力的影响

作者:黄志宏;杨豆;付德君;杨兵; 刊名:表面技术 上传者:盛奎川

【摘要】目的提高氢化非晶碳涂层的附着力,研究不同碳含量的CrC中间过渡层对CrC/a-C∶H涂层附着力的影响。方法用反应磁控溅射结合射频PECVD方法制备CrC/a-C∶H涂层,通过调节C2H2流量(0、10、20、30m L/min)在高速钢基材上获得具有不同碳含量CrC中间层的CrC/a-C∶H涂层。用压痕法和划痕法测量涂层的附着力,并用拉曼光谱、原子力显微镜、扫描电镜和纳米压痕等方法对涂层进行表征。结果随着中间层CrC碳含量的增加,涂层的附着力先增加后减小,当C2H2流量为20 mL/min时,CrC/a-C∶H涂层具有最大的附着力,划痕附着力为70.5 N,压痕附着力为HF1,此时涂层的硬度为23.4 GPa,表面光洁度为RMS36.9 nm。通过高斯曲线拟合拉曼图谱得到ID/IG为0.54,G峰位置在1535.9 cm~(-1)。扫描电镜观察结果表明,CrC/a-C∶H涂层有两个明显的界面,即基材/CrC中间层界面与CrC中间层/a-C∶H顶层界面,中间层CrC为柱状晶结构,a-C∶H顶层为玻璃态。结论 CrC中间层碳含量对CrC/a-C∶H涂层的附着力有显著影响,具有合适碳含量的CrC中间层有助于提高涂层的附着力,当含碳量过高时,中间层会由晶态转变为非晶态,不利于承载来自于a-C∶H顶层的薄膜内应力,导致CrC/a-C∶H涂层附着力急剧下降。CrC/a-C∶H涂层附着失效主要发在CrC中间层/a-C∶H顶层界面。CrC中间层碳含量影响CrC/a-C∶H涂层的光洁度,相同a-C∶H涂层工艺条件下,光滑涂层具有更好的附着力。

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非晶碳膜由sp2和sp3键杂化的碳原子形成的无序网络混合物组成[1]。膜的硬度、摩擦系数和耐磨性主要受sp3/sp2比例的影响[2]。由于非晶碳膜具有高硬度、低摩擦系数和低磨损率的特点,已被广泛应用于制造业中,以改善摩擦部件的性能[3]。非晶碳膜与工具基材的结合力受涂层应力和化学键的影响,非晶碳膜与金属基材之间存在较大的应力,由于内部价键类型不同,二者之间又不存在化学亲和,导致它们之间的结合力较低,容易在使用过程中出现剥离和脱落[4]。理论上,在金属基材与非晶碳膜之间插入一个在化学上与碳和基材都相容的中间层,可提高非晶碳膜的附着力[5]。这些中间层包括Ti、Zr、W、Nb和Cr,以及它们相对应的碳化物[6]。另外,采用从金属到金属碳化物,最后再到纯碳的梯度中间层,可以进一步地减少碳膜与基材之间的残余应力,从而增强其对基材的附着[7-9]。非晶碳膜根据成分中是否含氢可分为无氢碳膜(a-C)和氢化碳膜(a-C∶H)两种[10]。无氢碳膜(硬度约为15 GPa)可由溅射石墨靶形成,可以在磁控溅射装置中通过连续减小铬靶功率、增加石墨靶功率而形成无界面梯度过渡的CrC/a-C涂层,从而获得良好的膜基附着[11-13]。而氢化碳膜(硬度约为25 GPa)则是通过甲烷或乙炔等反应气体在等离子体中裂解沉积(PECVD)形成的[14],其附着力低于磁控溅射工艺制备的无氢碳膜。为了获得表面硬度高且附着良好的非晶碳膜,本研究拟采用磁控溅射结合PECVD方法沉积CrC/a-C∶H涂层。其中,中间层选择CrC梯度过渡层,靠近基材一侧碳含量低,靠近a-C∶H层一侧碳含量高。众所周知,磁控溅射工艺优选的气压和偏压在0.5 Pa和100 V左右,而PEVCD非晶碳膜工艺在1.0 Pa和1000 V左右,因此,磁控溅射到PECVD工艺的过渡,不宜采用工艺参数平缓变化,而需采用突变。同时,根据梯度涂层设计的一般规律,要求在CrC过渡层外侧获得尽量高的含碳量与顶层的非晶碳膜配合,然而为了避开反应磁控溅射工艺中靶中毒区间,CrC层外侧含碳量必然显著低于顶层a-C∶H层。磁控溅射结合PECVD方法沉积Cr C/a-C∶H涂层过程中工艺参数和膜层成分的突变,使得CrC/a-C∶H涂层的层间结合对工艺参数变化非常敏感。因此,中间层结构设计和中间层沉积过程工艺参数控制对获得高硬且附着良好的CrC/a-C∶H涂层意义重大,然而这方面的研究甚少。在这一背景下,本研究采用磁控溅射结合PECVD方法制备Cr C/a-C∶H涂层,通过调节工艺中C2H2流量,获得具有不同碳含量的CrC中间层,在此基础上,本文重点评估中间层碳含量对CrC/a-C∶H涂层附着力的影响。1试验1.1涂层制备采用MDC600真空镀膜装置沉积CrC/a-C∶H涂层。装置配有可自由切换的直流和射频两种偏压电源,腔体内壁布置四个铬靶(纯度99.95%),靶材后布置永磁体形成非平衡闭合磁场。涂层被沉积在M2高速钢试片上,试片硬度为64HRC,粗糙度Ra=0.8。镀膜装置按以下顺序运行:加热、等离子蚀刻、沉积CrC层、沉积a-C∶H层和冷却。加热过程中,真空室用涡轮分子泵抽真空至1.0×10?2 Pa以下,加热温度保持在180℃,以去除腔体内的水分和空气。在等离子蚀刻过程中,基底表面用Ar-H2等离子体蚀刻30 min。用磁控溅射方法沉积Cr C,阴极的功率密度为20 W/cm2,工作气体为Ar,反应气体为C2H2,C2H2流速被设定为0(沉积层为纯Cr)、10、20、30 mL/min,以改变CrC中的C含量。为了获得梯度过渡,先沉积纯

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