為延長活塞環(huán)的使用壽命，改善活塞環(huán)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(huán)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(huán)和CrMoN復合薄膜活塞環(huán)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(jié)構、表面形貌、納米硬度和摩擦學性能。研究結(jié)果表明：隨著Mo含量的增加，薄膜的晶體生長擇優(yōu)取向由(220)面轉(zhuǎn)為(200)面，晶體結(jié)構從以CrN為主的NaCl型面心立方fcc到CrN、MoN混合型fcc，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橐訫oN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(huán)的抗摩擦磨損性能較電鍍Cr活塞環(huán)均有不同程度的提高。

　　近年來，隨著發(fā)動機不斷向高功率、高轉(zhuǎn)速、長壽命方向發(fā)展，活塞環(huán)-缸套摩擦副的工作條件更加苛刻，這就要求活塞環(huán)與缸套具備良好的匹配性，具有優(yōu)良的耐磨性和可靠性。然而，真空技術網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為當前大部分高功率密度發(fā)動機在使用過程中仍然沿用傳統(tǒng)的電鍍Cr活塞環(huán)，由于經(jīng)常處于高溫、高壓、邊界潤滑等惡劣工作狀態(tài)，嚴重制約了發(fā)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(fā)動機活塞環(huán)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(huán)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(jié)構、表面形貌進行研究。比較研究了電鍍Cr活塞環(huán)與CrMoN復合薄膜活塞環(huán)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(fā)動機實際使用的65Mn鋼活塞環(huán)。制備薄膜前，對活塞環(huán)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(jié)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(zhuǎn)架臺繞豎直中心做單軸轉(zhuǎn)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(shù)為：基體的旋轉(zhuǎn)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。

圖1 磁控濺射設備結(jié)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(jié)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(huán)-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(jīng)廣泛應用于活塞環(huán)-缸套的摩擦學特性實驗中。如圖2所示，上試樣為活塞環(huán)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(yōu)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(huán)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(fā)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(huán)、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(zhuǎn)移、脫落狀態(tài)。

圖2 試驗中活塞環(huán)-缸套試樣的接觸方式和運動形式

3、結(jié)論

　　(1)改變Mo靶電流值大小可控制CrMoN復合薄膜中Cr、Mo的原子百分含量。隨著Mo含量的增加，薄膜的晶體生長擇優(yōu)取向由(220)面轉(zhuǎn)為(200)面，晶體結(jié)構從以CrN為主的NaCl型面心立方fcc到CrN、MoN混合型fcc，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橐訫oN為主的NaC型fcc。

　　(2)隨著薄膜中Mo原子數(shù)分數(shù)的增加，薄膜的致密度增加，晶界增多，Cr0.35Mo0.65N復合薄膜表面最致密。在固溶強化、細晶強化的作用下，CrMoN薄膜的硬度隨著Mo原子數(shù)的增加而增大。

　　(3)CrMoN復合薄膜活塞環(huán)可以有效改善電鍍Cr活塞環(huán)的磨粒磨損和粘著磨損，隨薄膜中Mo含量的增加，復合薄膜活塞環(huán)與缸套的匹配性能良好。