活塞环表面CrMoN复合薄膜的结构及摩擦学性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)装甲兵工程学院机械工程系 作者:李奇

  为延长活塞环的使用寿命,改善活塞环与缸套的摩擦磨损状况,采用闭合场非平衡磁控溅射技术在活塞环表面制备了不同Mo含量的CrMoN复合薄膜,比较研究了电镀Cr活塞环和CrMoN复合薄膜活塞环的纳米硬度和摩擦学性能。采用XRD、SEM-EDS、纳米硬度仪、SRV摩擦磨损试验机,分析了CrMoN复合薄膜的化学成分、相结构、表面形貌、纳米硬度和摩擦学性能。研究结果表明:随着Mo含量的增加,薄膜的晶体生长择优取向由(220)面转为(200)面,晶体结构从以CrN为主的NaCl型面心立方fcc到CrN、MoN混合型fcc,最终转变为以MoN为主的NaCl型fcc。CrMoN复合薄膜表面组织致密,硬度较Cr电镀层有大幅提高。不同Mo含量复合薄膜活塞环的抗摩擦磨损性能较电镀Cr活塞环均有不同程度的提高。

  近年来,随着发动机不断向高功率、高转速、长寿命方向发展,活塞环-缸套摩擦副的工作条件更加苛刻,这就要求活塞环与缸套具备良好的匹配性,具有优良的耐磨性和可靠性。然而,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为当前大部分高功率密度发动机在使用过程中仍然沿用传统的电镀Cr活塞环,由于经常处于高温、高压、边界润滑等恶劣工作状态,严重制约了发动机的使用寿命。

  目前,通过在CrN基础上加入金属元素、非金属元素进行强化,在发动机活塞环表面制备CrN基复合薄膜代替电镀Cr是研究的热点之一。本文采用闭合场非平衡磁控溅射技术,通过改变Mo靶电流值大小在活塞环表面制备了不同Mo原子百分含量的CrMoN复合薄膜,并对其化学成分、相结构、表面形貌进行研究。比较研究了电镀Cr活塞环与CrMoN复合薄膜活塞环的硬度,深入分析了不同摩擦副的磨损机制。

1、试验方法

  1.1、薄膜制备

  试验基体材料取自高功率密度发动机实际使用的65Mn钢活塞环。制备薄膜前,对活塞环表面进行预磨、抛光,用无水乙醇进行超声波清洗,冷风吹干。

  实验所采用的磁控溅射设备为UDP-650型封闭场非平衡磁控溅射仪(英国TEER公司制造),其结构如图1所示。CrMoN复合薄膜的设计由三部分组成:Cr金属层作为底层,CrN为渐变过渡层,顶层为CrMoN复合薄膜。放置基体的转架台绕竖直中心做单轴转动,以保证薄膜均匀沉积到试样表面。溅射时通入的气体为氩气与氮气的混合气体,氮气的流量由OEM控制,最终获得厚度约5μm的薄膜。溅射参数为:基体的旋转速度为4rpm,靶材为Cr靶和Mo靶,靶距基体的距离为120mm。氩气和氮气均为99.999%,溅射前,沉积室的真空度被抽至2.0×10-3 Pa,溅射气压为0.133Pa,沉积温度为450℃。Cr靶电流固定,通过改变Mo靶电流来控制CrMoN复合薄膜中的Mo含量。

磁控溅射设备结构示意图

图1 磁控溅射设备结构示意图

  1.2、性能测试

  采用Advance8型X射线衍射(XRD)仪(德国布鲁克AXS公司制造)对薄膜的物相结构进行分析;采用MML-NanoTest600型多功能纳米测试仪(英国Micro Material公司制造)对薄膜的纳米硬度进行测试,测量5次取平均值。采用SRV4高温摩擦磨损试验机(Optimol Instruments公司制造)测试薄膜的摩擦学性能。该试验机能够较好的模拟活塞环-缸套往复运动的工作方式,从而对实际应用更具指导意义,目前已经广泛应用于活塞环-缸套的摩擦学特性实验中。如图2所示,上试样为活塞环的一部分,下试样是用实际缸套加工制成的,材料为42MnCr52钢,长×宽×高的尺寸为20mm×12mm×5mm。同时设计了符合试验机要求的下卡具,设计的卡具具有便于拆卸,定位准确的优点。实验过程中固定下试样不动,使上试样进行往复运动。试样之间的接触部分采用CD10W/40号机油进行润滑。摩擦学测试条件为:载荷170N、滑动频率15Hz、温度100℃、冲程4mm、时间7200s。

  试验前后,采用无水乙醇对活塞环和缸套试样进行超声波清洗,冷风吹干。利用Nova Nano SEM 450/650型高分辨场发射扫描电镜和Feature Max型X射线能谱(XPS)仪(荷兰Philips-FEI公司制造)观察活塞环、缸套表面摩擦磨损后的微观形貌,分析表面元素分布情况,分析划伤,犁沟及金属粘着的转移、脱落状态。

试验中活塞环-缸套试样的接触方式和运动形式

图2 试验中活塞环-缸套试样的接触方式和运动形式

3、结论

  (1)改变Mo靶电流值大小可控制CrMoN复合薄膜中Cr、Mo的原子百分含量。随着Mo含量的增加,薄膜的晶体生长择优取向由(220)面转为(200)面,晶体结构从以CrN为主的NaCl型面心立方fcc到CrN、MoN混合型fcc,最终转变为以MoN为主的NaC型fcc。

  (2)随着薄膜中Mo原子数分数的增加,薄膜的致密度增加,晶界增多,Cr0.35Mo0.65N复合薄膜表面最致密。在固溶强化、细晶强化的作用下,CrMoN薄膜的硬度随着Mo原子数的增加而增大。

  (3)CrMoN复合薄膜活塞环可以有效改善电镀Cr活塞环的磨粒磨损和粘着磨损,随薄膜中Mo含量的增加,复合薄膜活塞环与缸套的匹配性能良好。

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