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2. 北京市辐射中心，北京 100875;
3. 北京师范大学 核科学与技术学院，北京 100875;
4. 潍柴动力股份有限公司 内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261001
2. Beijing Radiation Center, Beijing 100875;
3. College of Nuclear Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875;
4. State Key Laboratory of Engine Reliability, Weichai Power Co., Ltd., Weifang 261001, Shandong
高强化柴油机在军用和民用两方面都具有广泛的应用前景。然而，在实际研制过程中发现连杆小头轴承出现异常磨损、衬套松脱和胶合等故障，给高强化柴油机的可靠性带来了挑战。为此，一方面可以优化原有结构形式、几何尺寸和使用新的润滑剂；另一方面，可以通过表面工程和涂层技术来应对这些问题[1]。当前，减摩抗磨涂层在发动机活塞环[2-4]、活塞裙部[5]、气门挺柱[6]和活塞销[6-8]等零部件上都有广泛的应用，实践表明其减摩抗磨效果良好。因此，在高强化柴油机活塞销上沉积减摩抗磨涂层是一种提高连杆小头轴承可靠性的有效方法。
目前，应用较为广泛的减摩抗磨涂层有类金刚石膜(Diamond-like carbon，DLC)、TiN、CrN和硬Cr膜等。其中，具有代表性的DLC用于2 L的发动机活塞销上有效的提高了活塞销的耐磨损性能[6]。然而，研究发现应用在高强化柴油机活塞销上，涂层在较短的时间内就出现了脱落现象。说明DLC涂层在强冲击，周期性交变载荷作用下，其可靠性难以满足要求。CrN涂层由于其良好的韧性、较低的摩擦因数、较强的抗磨损性能和较高的硬度[9-12]，相对其它减摩抗磨涂层用于高强化柴油机活塞销上具有很大的优势。过去几十年，大量的学者采用物理气相沉积技术(Physical vapor deposition，PVD)制备CrN涂层并对其力学性能和摩擦学性能进行了系统研究。在研究方法上主要基于试验手段来实现；在涂层设计方面不仅考虑了单层膜也研究了多层膜[13-15]；在沉积参数控制上考虑了N2流量、偏压和沉积时间等[16-17]。尤其值得注意的是：Wang等人[18]对CrN涂层及其掺杂Al和Ti后的涂层硬度、断裂韧性和膜基结合性能等方面的研究，对于CrN涂层的力学性能分析具有重要的参考价值。Mydłowska等人[19]则对不同厚度的CrN涂层与基体组成的热机交互系统的热膨胀系数进行了研究，结果表明CrN涂层的厚度对膜基系统的热膨胀系数和热应力有着明显的影响。然而，这些研究并没有指出CrN涂层厚度对高温退火后的膜基结合性能的影响规律。在摩擦学性能研究方面，Paskvale等[20]对基础油PAO8及PAO8中加入MoS2润滑下CrN涂层的摩擦学性能进行了比较研究。Podgornik等[21]则进一步探讨了接触压力在1~3 GPa之间时CrN涂层的摩擦磨损性能。尽管这些研究对了解高强化柴油机活塞销上沉积CrN涂层的摩擦学性能具有借鉴意义，但在材料配副、接触压力和试验温度等方面与高强化柴油机的实际工作情况相距甚远。因此，根据连杆小头轴承的实际工作状态，开展CrN涂层与衬套材料(锡青铜，QSn7-0.2)配副的摩擦学性能研究具有重要意义。
文中利用MEVVA离子注入与磁过滤阴极真空电弧复合沉积技术(Metal vapor vacuum arc ion implantation and the magnetic filtered cathodic vacuum arc deposition system，MEVVA-FCVA)在高强化柴油机活塞销材料(20CrMo)上制备了CrN涂层。比较了不同沉积时间对CrN涂层的截面形貌、表面形貌和力学性能的影响，并对发动机润滑油5W/40润滑下CrN涂层与QSn7-0.2配副，以及基材20CrMo与QSn7-0.2配副在不同接触压力和不同转速下的摩擦学性能进行了探讨。
1 试验与方法 1.1 试样制备CrN涂层沉积基体为活塞销材料20CrMo。试样尺寸为Φ 52 mm×6.7 mm。沉积CrN涂层前基体经过调质、渗氮、研磨和抛光等工艺处理，其工艺流程与活塞销的工艺流程一致。基体显微硬度(657±20) HV，表面粗糙度为(0.07±0.03) μm。与CrN涂层或20CrMo配副的材料是采用强力旋压工艺加工的连杆小头衬套毛坯QSn7-0.2，试样由Φ 4 mm×3.5 mm的圆片与45号钢销钉焊接而成。焊接在销钉前端的QSn7-0.2材料经打磨后外径为2 mm。试件示意图如图1所示。
涂层制备采用MEVVA-FCVA复合沉积系统，沉积参数如表1所示。最终制备了5种不同厚度的CrN涂层试样，CrN的沉积时间分别为45、70、100、130和170 min。
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| 图 1 试件示意图 Figure 1 Diagram schematic of specimens |
| Parameters | Cr deposition | CrN deposition |
| Vacuum / (10−3 Pa) | 2.5 | 2.5 |
| Arc current / A | 100 | 100 |
| Negative bias / V | 200 | 200 |
| Deposition time / min | 5 | 45−170 |
| N2 flow rate / (10−3 m3·h−1) | 0 | 1.2 |
| Substrate heating
temperature / ℃ |
200 | 200 |
采用NanoMap-D三维形貌仪的光干涉模式测试基体上沉积CrN涂层前后的三维形貌。运用S-4800型场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)测试CrN涂层截面厚度，加速电压20 kV。利用CSM公司的NHT2型纳米硬度仪测试CrN涂层的纳米硬度和弹性模量。施加载荷20 mN，保持压力时间5 s，加载和卸载速率40 mN/min。为测试CrN涂层高温退火后的膜基结合性能，把不同厚度的CrN涂层试件放入多功能摩擦磨损试验机(Universal material tester，UMT)高温炉中加热到800 ℃并保温1 h，自然冷却到室温后运用UMT往复模块对CrN涂层的结合性能进行测试。压头直径0.2 mm，锥角120°，往复模块移动速度约0.34 m/s，加载时间35 s，载荷从1.5 N增加到15 N。测试完成后用三维形貌仪观测划痕形貌。
为研究高强化柴油机连杆小头轴承的摩擦性能，采用销-盘试验对有/无CrN涂层的20CrMo盘与QSn7-0.2销配副的摩擦磨损情况进行测试。采用UMT旋转模块，在5W/40润滑下进行摩擦学正交试验，试验方案如表2所示。润滑油在100 ℃时的运动黏度为13.5~16.3 mm2/s，在−46 ℃时的布氏黏度不大于17 000 mP·s。把润滑油加热到100 ℃，其接触压力(载荷与接触面积的比值)分别设置为10、30、50、70、90和110 MPa，每组接触压力下的转速设定为0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 m/s，每种工况的运行时间为10 min。其中，CrN涂层与QSn7-0.2配副在同一个试件上进行所有接触压力下的试验(盘代号为D1)。20CrMo与QSn7-0.2配副时，由于磨损相对较为严重，接触压力为10、30和50 MPa时在同一个试件上进行(盘代号为D2)，接触压力为70、90和110 MPa时在另一个试件上进行(盘代号为D3)。试验前，在油腔中加入足量的润滑油，使试验盘完全浸泡在润滑油中。为获取试验中销和盘的接触状态，使用UMT自带的测试系统对接触电阻进行测试。采用NanoMap-D三维形貌仪的光干涉模式测试试验盘上的磨痕三维形貌，采用探针模式测试磨痕二维截面形貌。根据二维截面计算磨损体积，磨损体积计算式为：
式中：V为磨损体积，mm3；L为磨痕中心处周长，mm；r为磨痕半径，mm；A为磨痕轮廓截面积，mm2。A取3个位置的平均磨痕轮廓截面积。
| Factors | Levels | ||||||
| L1 | L2 | L3 | L4 | L5 | L6 | L7 | |
| Sliding speed / (m·s−1) | 0.1 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 |
| Contact pressure / MPa | 10 | 30 | 50 | 70 | 90 | 110 | |
利用SEM对不同沉积时间制备的CrN涂层截面进行观测，得到随沉积时间的增加CrN涂层厚度分别为3.33、7.64、8.83、12.0和16.1 μm，其截面形貌如图2所示。从图中可以看出涂层截面厚度均匀。为进一步反映沉积时间对表面形貌的影响，利用NanoMap-D三维形貌仪对20CrMo基体沉积涂层前后的表面形貌进行观测，得到的三维形貌如图3所示。从图中可看出，20CrMo基体在沉积CrN涂层后表面粗糙度略有增加。随着CrN涂层厚度的增加表面微孔数量有所增多，微孔深度也在增加。从以上测试结果可以看出，在不同沉积时间内CrN涂层的沉积效果良好。
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| 图 2 不同沉积时间下CrN涂层的截面形貌 Figure 2 Cross section morphologies of the CrN coatings with different deposition time |
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| 图 3 基体和不同厚度CrN涂层的表面形貌 Figure 3 Surface morphologies of the substrate and CrN coatings with different thickness |
CrN涂层的力学性能可以用纳米硬度测试和划痕试验来反映。采用纳米硬度仪对5种不同厚度CrN涂层进行测试，每个样本测试4个点。图4为不同厚度CrN涂层样本纳米硬度测试结果最接近平均值的一个点的加载-卸载曲线。可以看出，加载-卸载曲线形状受CrN涂层厚度的影响较小。CrN涂层泊松比取0.23[22]，根据相关公式计算[23-25]，得到平均硬度和平均弹性模量，相关测试结果如表3所示。从表3可知，CrN涂层厚度为16.1 μm时具有相对较大的硬度和较小的最大压入深度，分别为22.23 GPa和207.6 nm。但是，不同厚度的CrN涂层纳米硬度差别并不大，厚度对其它相关测试参数的影响也不大。
CrN涂层的膜基结合性能可以通过划痕试验来反映，观测划痕形貌并结合摩擦因数的变化情况进行分析[26-28]。由于高强化柴油机活塞销在极端条件下可能处于无油或乏油状态下工作，这将导致接触表面的温度迅速升高，从而引起活塞销与衬套过热甚至胶合等故障的发生。由于CrN涂层是一种耐高温涂层，当CrN涂层沉积在活塞销上时，可能会减轻或减少故障的发生。此时，高温膜基结合性能就显得非常重要。图5给出了不同厚度CrN涂层试件在800 ℃环境下保温1 h，再冷却到室温后进行划痕测试的摩擦因数。从图中可知，在厚度为3.33 μm时，涂层的摩擦因数最稳定，且数值也最小。随着CrN涂层厚度的增加，摩擦因数曲线的波动增加，这反映出涂层脱落程度的加重。这一现象可以通过图6中划痕终点处(15 N附近处)的磨痕形貌反映出来。从图6中可以发现，CrN涂层厚度在3.33 μm和7.64 μm时划痕边缘处涂层脱落较少，但随着涂层厚度的增加CrN涂层脱落越来越严重。这说明涂层厚度对膜基结合力的影响非常明显，高温退火后CrN涂层厚度在8.83 μm以上时的膜基结合力明显变差。
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| 图 4 CrN涂层的加载-卸载曲线 Figure 4 Load-unload curves of CrN coatings |
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| 图 5 不同厚度CrN涂层划痕测试的摩擦因数 Figure 5 Friction coefficient measured during the scratch test for CrN coatings with different thickness |
| Parameters | Thickness / μm | ||||
| 3.33 | 7.64 | 8.83 | 12.0 | 16.1 | |
| Average hardness,
H / GPa |
22.11 | 20.32 | 21.59 | 21.36 | 22.23 |
| Average elastic modulus,
E / GPa |
244.9 | 247.0 | 258.4 | 235.8 | 240.3 |
| Final unloading depth,
hp / nm |
107.2 | 88.9 | 75.1 | 77.7 | 80.4 |
| Unloading curve slope,
S / (mN·nm−1) |
0.223 | 0.246 | 0.253 | 0.226 | 0.222 |
| Maximum pressing depth,
hmax / nm |
215.7 | 211.8 | 210.4 | 217.3 | 207.6 |
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| 图 6 不同厚度CrN涂层在载荷为15 N处的划痕形貌(退火温度800 ℃) Figure 6 Scratch morphologies of CrN coating with different thickness at the load of 15 N (annealed temperature of 800 ℃) |
为进一步研究CrN涂层在油润滑下的摩擦学性能，对沉积厚度为8.83 μm的CrN涂层进行摩擦学正交试验。图7为5W/40润滑下3个不同试验盘的磨痕三维形貌。从图中可以看出，3个试验盘的磨痕深度关系为D1<D2<D3。CrN涂层与QSn7-0.2配副时，CrN涂层表面磨损极小，磨损体积难以计算。但20CrMo与QSn7-0.2配副的磨损相对较大。图8给出了图7中3个试验盘的三维形貌中间位置处的二维截面形貌，根据二维截面形貌计算得到D2和D3上的磨损体积分别为0.024 mm3和0.050 mm3。由此可以看出，在5W/40润滑下20CrMo上沉积CrN涂层后其抗磨性能显著增强。试验中的对磨副QSn7-0.2在不同工况下其磨损量有所差别，但采用称重法和磨痕测试法都难以准确测量。因此，文中并未给出其相应的磨损体积。
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| 图 7 3个不同试验盘的磨痕三维形貌 Figure 7 Optical 3D morphologies of the wear tracks for the three different test disks |
在5W/40润滑下，通过摩擦学正交试验得到了各工况下的摩擦因数。试验发现，各工况下的摩擦因数较为稳定。图9给出了不同接触压力和转速下的平均摩擦因数分布曲面。由图可知，未沉积CrN涂层的20CrMo与QSn7-0.2配副的平均摩擦因数最小值为0.03，发生在接触压力90 MPa，线速度≥1.5 m/s的范围内。平均摩擦因数的最大值为0.17，发生在接触压力10 MPa，线速度0.1 m/s时。CrN涂层与QSn7-0.2配副的平均摩擦因数最小值为0.03。其发生在多个区域，分别为接触压力50 MPa，线速度≥2.5 m/s的区域；接触压力90 MPa，线速度≥2.5 m/s的区域；接触压力110 MPa，线速度≥1.5 m/s的区域。平均摩擦因数的最大值为0.18，发生在接触压力10 MPa，线速度0.1 m/s时。在接触压力一定的情况下，随着转速的增加摩擦因数减小。在接触压力较大或较小的大部分区域，CrN涂层与QSn7-0.2配副的平均摩擦因数小于 20CrMo与QSn7-0.2配副。
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| 图 9 不同接触压力和转速下的摩擦因数分布曲面图 Figure 9 Friction coefficient distribution at different contact pressures and speeds |
图10给出了正交试验得到的不同接触压力和转速下的平均接触电阻分布曲面。由图可知，在接触压力一定的情况下，随着转速增加，接触电阻增大。这说明在高转速下润滑油膜更容易形成。在高接触压力区，尤其是在高转速下，CrN涂层与QSn7-0.2配副的接触电阻显著小于20CrMo与QSn7-0.2配副，说明在此区域该配副的油膜更难形成。但摩擦因数并未因此升高。这是由于在高接触压力下，20CrMo表面磨痕较深，粗糙度较大，造成摩擦力增加，从而增加了摩擦因数。对于CrN涂层，由于表面磨痕较浅，粗糙度相对较小，从而降低了摩擦因数。对于相对平整的CrN涂层表面，由于润滑油不宜储存，因此在高速和高接触压力下，润滑油膜更难形成，从而导致其接触电阻减小。
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| 图 10 不同接触压力和转速下的接触电阻分布曲面图 Figure 10 Contact resistence distribution at different contact pressures and speeds |
利用MEVVA-FCVA技术在20CrMo上沉积了CrN涂层。研究了不同沉积时间下CrN涂层的截面形貌、表面形貌和力学性能。同时，在5W/40润滑下，通过销-盘试验对比了CrN涂层与QSn7-0.2配副以及20CrMo与QSn7-0.2配副的磨损体积、摩擦因数和接触电阻变化。
(1) CrN涂层截面厚度均匀，表面平整，表面粗糙度略有增加，随着厚度的增加微孔的数量和深度也略有增加。力学性能测试表明，CrN涂层厚度对纳米硬度及相关参数的影响并不大，其硬度在20.32~22.23 GPa之间，但对高温膜基结合性能的影响较大。800 ℃退火后的划痕测试表明，在厚度大于8.83 μm时，CrN涂层与20CrMo基体的结合性能显著变差，涂层脱落严重。
(2) 在5W/40润滑下，通过摩擦学正交试验发现在接触压力较大或较小的大部分区域，CrN涂层与QSn7-0.2配副的平均摩擦因数小于20CrMo与QSn7-0.2配副的情况，最小摩擦因数为0.03。在给定试验条件下，CrN涂层的磨损体积很小，难以测量，而20CrMo的磨损体积分别为0.024 mm3 (D2)和0.050 mm3 (D3)。
(3) CrN涂层具有良好的抗磨性能，在高强化柴油机活塞销上的应用具有较大的潜能。尤其是在连杆小头轴承处于高速、重载等极端工况下运行时，CrN涂层的应用有望效降低摩擦因数。
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