365 / 2022-10-05 17:04:06

粗糙轴承钢表面镀覆a-C:H薄膜界面超滑构筑机制研究

a-C:H薄膜；表面粗糙峰；超滑；氢含量；实际接触面积

已有研究报道含氢非晶碳膜（a-C:H）能够在惰性气体氛围中实现超滑，但是所报道的案例中，实现超滑的基底表面粗糙度小于工业应用等级（处于原子尺度或数纳米范围内）。为了揭示粗糙表面中凹凸峰对于含氢碳膜超滑状态建立的影响，本研究中通过离子束沉积方式在粗糙的轴承钢表面（算术平均高度Sa~128nm）镀覆a-C:H薄膜，并在氮气氛围下进行球盘往复摩擦试验。试验结果表明：自配副条件下，摩擦系数在处于0.004~0.008范围内至少可以维持80000转；多波长拉曼光谱显示随着摩擦循环周期的增大，a-C:H薄膜中的氢原子逐渐被消耗，并且球侧薄膜中的sp²团簇化结构增加；相比小的摩擦循环周期下的球侧薄膜，更高摩擦循环周期下的薄膜表层氢含量降低3.95% ~ 7.85%。通过G-M模型估算了该粗糙表面实际接触压力，可知实际接触应力大约是表观接触应力（~1.17 GPa）的4倍。此外，聚焦离子束切割磨痕沟槽，沟槽截面形貌揭示超滑状态的维持机制，虽然粗糙表面中峰顶的氢原子在摩擦过程中被逐渐消耗，但是处于谷底的碳膜材料处于原始薄膜沉积状态，其逐渐参与到摩擦过程中，并补充接触区域的氢消耗，维持氢钝化、超滑状态。该研究成果为高含氢的a-C:H薄膜镀覆在工业零部件上基底表面的粗糙度范围提供一定指导。