哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
DZ2车轴钢作为高速列车车轴的主要用钢，正朝向高强度、抗疲劳以及良好
的摩擦磨损方向发展。类金刚石(Diamond-LikeCarbon，DLC)薄膜因其优异的力
学性能和摩擦学性能已经成为具有广泛应用前景的保护结构及耐磨材料。然而，
薄膜/基体系统在物理、力学性能上的低匹配度容易导致膜基结合力差，进而出现
应用过程中薄膜破裂失效现象。这种情况很大程度上取决于薄膜和基体材料的性
能及处理工艺。所以了解膜基界面结构和性质从而改善结合强度以扩展其在车轴
钢基体上的应用意义重大，本文将开展针对DZ2车轴钢的等离子体渗氮/非平衡磁
控溅射镀DLC薄膜复合改性处理的工艺探索，制备膜基结合优异且具实用性的渗
氮/DLC结构复合改性层，以获得良好的摩擦学性能，减缓服役条件下车轴损伤。
采用第一性原理计算了渗氮层与DLC的界面性质，发现Fe-3d/N-2p和金刚石
(111)面的C-2p杂化及Fe-3d、N-2s2p和金刚石(111)面的C-2p杂化促使界面碳价
键重构，是界面结合强度提高的来源。γ′-FeN(111)面以Fe-终端与金刚石(111)面
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复合形成界面的粘附功最大，Fedz2轨道与sp3悬键轨道杂化导致了跨界面的Fe-
C键合，表面悬键都由Fe原子饱和，界面结构稳定性最佳。
在渗氮温度520℃，N:H=1:9的工艺条件下，可以得到形成单一γ′-FeN相
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的渗层，其余渗氮试样都有双相化合物层形成。提高渗氮温度、增加氮氢比和延
长处理时间，渗层相应增厚，出现较深的硬化区域和硬度梯度变缓。其中，渗氮
扩散层和淬火态基体表面主要发生粘着磨损，而形成化合物层的表面则存在局部
的疲劳磨损，磨痕整体均匀，渗层试样摩擦系数均保持在0.5～0.6。
通过非平衡磁控溅射处理，未经过/经过渗氮处理试样表面均能制备出光滑致
密，厚度为1μm且具有纳米晶-非晶复合结构的DLC薄膜。实验范围内，相组成
为(γ′-FeN+ε-FeN)的化合物层与DLC薄膜形成的复合结构界面结合强度最高，并
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作为理想的减摩耐磨结构，使摩擦系数下降至0.18～0.29。
渗层表面脆性ε-FeN相使得裂纹源易萌生于复合改性层内部界面处，并加快
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与之结合薄膜的破坏乃至失效，因此在渗氮/DLC镀膜复合改性处理时，应避免脆
性ε-FeN相的生成。保留单一γ′-FeN相化合物层的渗氮表面能与DLC薄膜形成
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最佳界面结合的复合改性层，进一步保证DLC薄膜的实用性和使用效果。
关键词：等离子体渗氮；类金刚石薄膜；第一性原理计算；界面结合强度；组织
结构
I
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
DZ2axlesteel,asthemainsteelusedforhigh-speedtrainaxles,isdeveloping
towardshighstrength,fatigueresistanceandgoodfrictionandwear.Diamond-Like
Carbon(DLC)filmshavebeenwidelyusedasprotectivestructuresandwear-resistant
materialsduetotheirexcellentmechanicalandtribologicalproperties.However,thelow
matching