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(shù)在活塞環(huán)表面制備了不同Mo含量的CrMoN復(fù)合薄膜，比較研究了電鍍Cr活塞環(huán)和CrMoN復(fù)合薄膜活塞環(huán)的納米硬度和摩擦學(xué)性能。采用XRD、SEM-EDS、納米硬度儀、SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，分析了CrMoN復(fù)合薄膜的化學(xué)成分、相結(jié)構(gòu)、表面形貌、納米硬度和摩擦學(xué)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(gòu)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(fù)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(fù)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(dòng)機(jī)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(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為當(dāng)前大部分高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)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(yán)重制約了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

　　目前，通過在CrN基礎(chǔ)上加入金屬元素、非金屬元素進(jìn)行強(qiáng)化，在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)表面制備CrN基復(fù)合薄膜代替電鍍Cr是研究的熱點(diǎn)之一。本文采用閉合場非平衡磁控濺射技術(shù)，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(fù)合薄膜，并對(duì)其化學(xué)成分、相結(jié)構(gòu)、表面形貌進(jìn)行研究。比較研究了電鍍Cr活塞環(huán)與CrMoN復(fù)合薄膜活塞環(huán)的硬度，深入分析了不同摩擦副的磨損機(jī)制。

1、試驗(yàn)方法

　　1.1、薄膜制備

　　試驗(yàn)基體材料取自高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用的65Mn鋼活塞環(huán)。制備薄膜前，對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)行預(yù)磨、拋光，用無水乙醇進(jìn)行超聲波清洗，冷風(fēng)吹干。

　　實(shí)驗(yàn)所采用的磁控濺射設(shè)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(gòu)如圖1所示。CrMoN復(fù)合薄膜的設(shè)計(jì)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(fù)合薄膜。放置基體的轉(zhuǎn)架臺(tái)繞豎直中心做單軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證薄膜均勻沉積到試樣表面。濺射時(shí)通入的氣體為氬氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w，氮?dú)獾牧髁坑蒓EM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?dú)饩鶠?9.999%，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(fù)合薄膜中的Mo含量。

圖1 磁控濺射設(shè)備結(jié)構(gòu)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(duì)薄膜的物相結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)薄膜的納米硬度進(jìn)行測試，測量5次取平均值。采用SRV4高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(Optimol Instruments公司制造)測試薄膜的摩擦學(xué)性能。該試驗(yàn)機(jī)能夠較好的模擬活塞環(huán)-缸套往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工作方式，從而對(duì)實(shí)際應(yīng)用更具指導(dǎo)意義，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于活塞環(huán)-缸套的摩擦學(xué)特性實(shí)驗(yàn)中。如圖2所示，上試樣為活塞環(huán)的一部分，下試樣是用實(shí)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(shí)設(shè)計(jì)了符合試驗(yàn)機(jī)要求的下卡具，設(shè)計(jì)的卡具具有便于拆卸，定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程中固定下試樣不動(dòng)，使上試樣進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試樣之間的接觸部分采用CD10W/40號(hào)機(jī)油進(jìn)行潤滑。摩擦學(xué)測試條件為：載荷170N、滑動(dòng)頻率15Hz、溫度100℃、沖程4mm、時(shí)間7200s。

　　試驗(yàn)前后，采用無水乙醇對(duì)活塞環(huán)和缸套試樣進(jìn)行超聲波清洗，冷風(fēng)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(yàn)中活塞環(huán)-缸套試樣的接觸方式和運(yùn)動(dòng)形式

3、結(jié)論

　　(1)改變Mo靶電流值大小可控制CrMoN復(fù)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(gòu)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?jǐn)?shù)的增加，薄膜的致密度增加，晶界增多，Cr0.35Mo0.65N復(fù)合薄膜表面最致密。在固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)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(fù)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(fù)合薄膜活塞環(huán)與缸套的匹配性能良好。