类金刚石涂层与铝合金间的摩擦磨损行为研究

邓耀锋，梁献文，苏东艺，彭继华

1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2.广州今泰科技股份有限公司，广东 广州 51053

高速干切削符合高效、降低成本和环保的要求，是铝合金切削加工的发展方向.研究表明［1－2］，类金刚石涂层能显著提高铝合金切削效率及质量.而制备方法、结构、对摩副、环境（湿度、速度、载荷）等都会对类金刚石涂层的摩擦磨损行为产生影响［3－4］.类金刚石涂层中sp3含量对涂层的热导率、显微硬度等性能起着决定性作用［5］.关于类金刚石的减摩机理主要集中在：化学吸附钝化悬浮键理论、滑行界面的石墨化理论和转移膜理论［4－5］.缺乏对铝合金切削加工过程中类金刚石涂层失效方式和机理的研究.本文采用不同的物理气相沉积方法制备DLC涂层，研究了其形貌与组织结构，及与6061铝合金之间的摩擦行为，探讨了DLC涂层的失效机理.本文研究结果对制备切削加工铝合金的DLC涂层刀具具有一定的参考意义.

1 试验材料及方法

本试验分别利用圆形石墨靶电弧技术为主的物理气相沉积装置（荷兰）和线性离子源技术为主的物理气相沉积装置（韩国）在高速钢W6Mo5Cr4V2基底表面制备“基体－Cr－DLC”结构的涂层，分别记为DLC－1和DLC－2，涂层厚度控制在1.5～2μm.采用M－2000型摩擦磨损试验机研究干式摩擦条件下涂层同铝合金间的摩擦磨损行为，试验条件：环境温度26℃，湿度55%RH，对摩副为变形铝合金6061－T6，转速428r／min，法向载荷100N.

采用LabRAM Aramis显微激光拉曼光谱仪测定DLC涂层的结构.采用德国Bretmeier公司生产的SMS Expert多功能光电3－D表面测量系统表征涂层的表面形貌.采用OLYMPUS SZ61体视显微镜和ZEISS S－3700扫描电子显微镜观察分析试样表面形貌.

2 试验结果与分析

2.1 类金刚石涂层组织结构表征

不同方法制备的DLC涂层表面的金相显微组织如图1所示.由图1可知，采用线性离子源技术制备的DLC－2涂层表面的“熔滴／颗粒”数量少，表面十分平滑.采用圆形电弧技术制备的DLC－1涂层表面存在较多的 “熔滴／颗粒”.使用Image Pro Plus软件对DLC－1涂层表面的“颗粒”粒径进行统计，得出其颗粒平均尺寸为1.24μm.

DLC－1和DLC－2涂层的3－D表面形貌如图2所示.由图2可知，DLC－1涂层表面轮廓的平均粗糙度Ra为0.17μm，最大峰高Rp为0.71μm，最大轮廓高度平均值Rz为0.89μm；DLC－2涂层表面轮廓的平均粗糙度Ra为0.062μm，最大峰高Rp为0.68μm，最大轮廓高度平均值Rz为0.53μm.表明DLC－2涂层表面更加平滑.序排列和sp2键角絮乱造成的.G峰和D峰的形状特征及D峰与G峰的积分强度比ID／IG与sp3和sp2含量相关.文献研究表明［6－7］，ID／IG较小，意味着含有较多的sp3结构.使用peakfit软件，以2个Gauss函数对DLC－1和DLC－2涂层的Raman光谱进行分峰拟合，结果列于表1.由表1可知，与DLC－2涂层相比，

图1 DLC涂层表面金相显微组织（a）DLC－1试样；（b）DLC－2试样Fig.1 The microstructure of DLC coating（a）DLC－1sample；（b）DLC－2sample

图2 不同方法制备的DLC涂层的3－D表面形貌（a）DLC－1试样；（b）DLC－2试样Fig.2 3－D surface morphology of different DLC coatings（a）DLC－1sample；（b）DLC－2sample

图3 DLC涂层的Raman光谱（a）DLC－1试样；（b）DLC－2试样Fig.3 Raman spectrum of DLC coating（a）DLC－1sample；（b）DLC－2sample

DLC－1和DLC－2涂层的Raman光谱如图3所示.由图3所知，DLC涂层的Raman光谱均在1100～1700cm－1内存在一个很强的非对称峰，在1300～1400cm－1存在一个弱肩峰，为典型的类金刚石涂层.高波数的G峰是由DLC涂层中石墨相sp2键结构的对称弹性振动造成的.G峰的宽化是由石墨相无DLC－1涂层的 G峰较宽，表明sp2键角絮乱；ID／IG值较小，表明DLC－1涂层中sp3含量较DLC－2涂层高.经计算可得：DLC－1涂层中sp3含量约68%，DLC－2涂层中sp3含量约53%.

表1 不同方法制备DLC涂层的Raman光谱分峰结果Table 1 The result of peak imitation of Raman spectrum

2.2 类金刚石涂层－铝合金的摩擦磨损行为

试样－铝合金6061转动4280r后的平均摩擦系数列于表2，其中HSS为无涂层高速钢W6Mo5Cr4V试样.由表2可知，DLC－1与铝合金6061间的平均摩擦系数最低，为0.1019.试样与铝合金6061间平均摩擦系数从小至大依次是：DLC－1涂层、DLC－2涂层、高速钢.

铝合金粘附是摩擦磨损过程中的主要问题.转动4280r后，HSS及DLC涂层试样的表面状况如图4所示.由图4可知，试样粘附铝合金的严重程度依次为：高速钢＞DLC－2试样 ＞DLC－1试样.高速钢试样表面粘附大量的铝合金，而类金刚石涂层能有效减少铝合金的粘附量.

DLC－1涂层试样－铝合金摩擦副经过不同转数后，DLC－1试样的表面显微形貌如图5所示.在背散射衬度下，图5中较亮的部分为高速钢基体，灰色部分为粘附的铝合金，黑色部分为DLC涂层.在转动1284r后，DLC－1涂层没有破裂，且不存在铝合金粘附的情况.当转动达2996r后，DLC涂层破裂并露出高速钢基体，其表面粘附铝合金.DLC涂层与铝合金对摩副的摩擦磨损过程大致为：初始阶段出现磨痕，DLC涂层变薄，随后DLC涂层完整性破坏，试样表面开始粘附铝合金.

表2 试样－铝合金6061间的平均摩擦系数Table 2 The average friction coefficient between sample and Aluminum alloy 6061

图4 4280r后试样粘附铝合金的情况（a）HSS试样；（b）DLC－1试样；（c）DLC－2试样Fig.4 The surface states of the sample after 4280r（a）HSS sample；（b）DLC－1sample；（c）DLC－2sample

2.3 类金刚石涂层－铝合金间摩擦磨损失效机理分析

图6 为受到DLC－1涂层试样摩擦磨损后，铝合金对摩副的表面形貌及其能谱分析.对铝合金表面分布的黑色颗粒状物质（图6（a）），以及表面粘附的一层灰黑色物质（图6（b））进行能谱分析，结果表明，铝合金表面黑色颗粒状物质的成分为碳，灰黑色层状物质的成分为氧化铝.铝合金的表面没有形成文献所说的石墨转移膜［8］，而是粘附尺寸为10～20 μm的剥落状DLC颗粒.

本次试验结果表明，在与铝合金的摩擦过程中，DLC涂层最终以崩落形式失效.DLC涂层的崩落可能与以下因素有关：涂层结合力、摩擦造成的表面温升、相互接触靠近的表面原子间的亲和力.文献研究表明［9］，摩擦造成的温升ΔT与摩擦系数、试样热导率及试样硬度相关，干式摩擦条件下，局部表面温升可能达到或超过DLC涂层的稳定温度.摩擦过程中，局部高温下元素C与环境中的氧反应，使高温区域DLC涂层厚度减薄；反应形成较高的局部压力可能导致涂层局部脱落；局部高温－冷却形成热疲劳，会导致涂层的局部剥离.Landry等人［10］在真空环境下，采用座滴法对不同形态的碳（非晶态碳、热解碳、单晶石墨）与铝合金间的润湿性进行研究，结果表明：（1）铝及铝合金与碳的润湿性与石墨含量有关，石墨化含量越高，润湿角越小；（2）表面粗糙度对碳与铝合金间的润湿性几乎没有影响.由于DLC－1涂层中sp3含量较DLC－2涂层高，其热导率及硬度较大，从而使摩擦造成的温升ΔT较小.此外，DLC－1涂层与铝合金的亲和性较DLC－2差，粘附铝合金几率较低.在相同的摩擦条件和摩擦时间下，DLC－1涂层的摩擦磨损寿命较长，高速钢基体暴露并直接同铝合金接触时间短，降低了摩擦系数及表面铝合金的粘附量.

图5 不同转数后DLC－1试样的表面显微形貌（背散射）（a）1284r；（b）2996rFig.5 The morphology of DLC－1sample in different period（a）1284r；（b）2996r

图6 铝合金对摩副的显微形貌及其能谱分析Fig.6 The morphology（back scattering）and EDS analysis of friction pair

3 结 论

采用圆形石墨靶电弧技术制备的DLC－1涂层和采用线性离子源技术制备的DLC－2涂层中sp3含量分别达68%和53%，与铝合金间的平均摩擦系数分别为0.1019和0.2911，其中 DLC－2涂层表面比DLC－1涂层表面光滑.DLC涂层的主要失效方式是涂层局部剥落，形成10～20μm剥落状DLC颗粒；DLC涂层中sp3含量越高，其摩擦磨损寿命越长.涂层剥离后暴露的高速钢基体会发生铝合金的转移粘附，试样粘附铝合金严重程度依次为：高速钢W6Mo5Cr4V＞DLC－2试样 ＞DLC－1试样.

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