活塞環表面CrMoN復合薄膜的結構及摩擦學性能研究

2014-04-12 李奇裝甲兵工程學院機械工程系

　　為延長活塞環的使用壽命，改善活塞環與缸套的摩擦磨損狀況，采用閉合場非平衡磁控濺射技術在活塞環表面制備了不同Mo含量的CrMoN復合薄膜，比較研究了電鍍Cr活塞環和CrMoN復合薄膜活塞環的納米硬度和摩擦學性能。采用XRD、SEM-EDS、納米硬度儀、SRV摩擦磨損試驗機，分析了CrMoN復合薄膜的化學成分、相結構、表面形貌、納米硬度和摩擦學性能。研究結果表明：隨著Mo含量的增加，薄膜的晶體生長擇優取向由(220)面轉為(200)面，晶體結構從以CrN為主的NaCl型面心立方fcc到CrN、MoN混合型fcc，最終轉變為以MoN為主的NaCl型fcc。CrMoN復合薄膜表面組織致密，硬度較Cr電鍍層有大幅提高。不同Mo含量復合薄膜活塞環的抗摩擦磨損性能較電鍍Cr活塞環均有不同程度的提高。

　　近年來，隨著發動機不斷向高功率、高轉速、長壽命方向發展，活塞環-缸套摩擦副的工作條件更加苛刻，這就要求活塞環與缸套具備良好的匹配性，具有優良的耐磨性和可靠性。然而，真空技術網(http://shengya888.com/)認為當前大部分高功率密度發動機在使用過程中仍然沿用傳統的電鍍Cr活塞環，由于經常處于高溫、高壓、邊界潤滑等惡劣工作狀態，嚴重制約了發動機的使用壽命。

　　目前，通過在CrN基礎上加入金屬元素、非金屬元素進行強化，在發動機活塞環表面制備CrN基復合薄膜代替電鍍Cr是研究的熱點之一。本文采用閉合場非平衡磁控濺射技術，通過改變Mo靶電流值大小在活塞環表面制備了不同Mo原子百分含量的CrMoN復合薄膜，并對其化學成分、相結構、表面形貌進行研究。比較研究了電鍍Cr活塞環與CrMoN復合薄膜活塞環的硬度，深入分析了不同摩擦副的磨損機制。

1、試驗方法

　　1.1、薄膜制備

　　試驗基體材料取自高功率密度發動機實際使用的65Mn鋼活塞環。制備薄膜前，對活塞環表面進行預磨、拋光，用無水乙醇進行超聲波清洗，冷風吹干。

　　實驗所采用的磁控濺射設備為UDP-650型封閉場非平衡磁控濺射儀(英國TEER公司制造)，其結構如圖1所示。CrMoN復合薄膜的設計由三部分組成：Cr金屬層作為底層，CrN為漸變過渡層，頂層為CrMoN復合薄膜。放置基體的轉架臺繞豎直中心做單軸轉動，以保證薄膜均勻沉積到試樣表面。濺射時通入的氣體為氬氣與氮氣的混合氣體，氮氣的流量由OEM控制，最終獲得厚度約5μm的薄膜。濺射參數為：基體的旋轉速度為4rpm，靶材為Cr靶和Mo靶，靶距基體的距離為120mm。氬氣和氮氣均為99.999%，濺射前，沉積室的真空度被抽至2.0×10^-3 Pa，濺射氣壓為0.133Pa，沉積溫度為450℃。Cr靶電流固定，通過改變Mo靶電流來控制CrMoN復合薄膜中的Mo含量。

磁控濺射設備結構示意圖

圖1 磁控濺射設備結構示意圖

　　1.2、性能測試

　　采用Advance8型X射線衍射(XRD)儀(德國布魯克AXS公司制造)對薄膜的物相結構進行分析;采用MML-NanoTest600型多功能納米測試儀(英國Micro Material公司制造)對薄膜的納米硬度進行測試，測量5次取平均值。采用SRV4高溫摩擦磨損試驗機(Optimol Instruments公司制造)測試薄膜的摩擦學性能。該試驗機能夠較好的模擬活塞環-缸套往復運動的工作方式，從而對實際應用更具指導意義，目前已經廣泛應用于活塞環-缸套的摩擦學特性實驗中。如圖2所示，上試樣為活塞環的一部分，下試樣是用實際缸套加工制成的，材料為42MnCr52鋼，長×寬×高的尺寸為20mm×12mm×5mm。同時設計了符合試驗機要求的下卡具，設計的卡具具有便于拆卸，定位準確的優點。實驗過程中固定下試樣不動，使上試樣進行往復運動。試樣之間的接觸部分采用CD10W/40號機油進行潤滑。摩擦學測試條件為：載荷170N、滑動頻率15Hz、溫度100℃、沖程4mm、時間7200s。

　　試驗前后，采用無水乙醇對活塞環和缸套試樣進行超聲波清洗，冷風吹干。利用Nova Nano SEM 450/650型高分辨場發射掃描電鏡和Feature Max型X射線能譜(XPS)儀(荷蘭Philips-FEI公司制造)觀察活塞環、缸套表面摩擦磨損后的微觀形貌，分析表面元素分布情況，分析劃傷，犁溝及金屬粘著的轉移、脫落狀態。

試驗中活塞環-缸套試樣的接觸方式和運動形式