類金剛石薄膜對W9Cr4V2Mo鋼摩擦性能的影響

馬麗瑤，孫東，王海新，劉叢浩，王廷劍

(1.中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.中國科學院 寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315201；3.遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001)

隨著航空發動機性能不斷提升，對主軸軸承的可靠性也提出了更高要求，尤其戰斗機在進行某種機動動作時會偶發瞬時潤滑油中斷供應的情況，為保證軸承在此極限工況(高溫、高應力、乏油)下的正常運轉，軸承的耐磨損和潤滑性能受到越來越高的關注。為提高軸承抵抗潤滑油中斷的能力，僅采用傳統軸承材料已不足以確保航空發動機的高效穩定運轉，對W9Cr4V2Mo鋼采用表面改性技術是提高軸承性能的有效方法之一。

表面改性技術主要通過物理或者化學方法提高材料表面的性能，使零件具有耐高溫、耐磨損等性能，在高溫、高速、重載等工況下具有更高的可靠性和更長的使用壽命。表面改性技術一般分為3代：最早期是表面滲注改性，所需溫度高，處理后軸承尺寸穩定性一般，且對于含碳量較高的材料性能提升不明顯，文中所用基體鋼材含碳量較高；第2代表面改性主要是硬質強化薄膜，代表是TiN，該類薄膜硬度高且掉落后會對軸承造成損害[1]；第3代表面改性技術是強韌化與潤滑一體化薄膜，代表是類金剛石(DLC)薄膜，DLC作為一種硬質自潤滑薄膜材料，具有高硬度，高彈性模量和低摩擦磨損等優點[2-3]，且相較于W9Cr4V2Mo需300 ℃以上的回火溫度，其制備溫度一般小于150 ℃，不會對基體材料的組織產生影響，故DLC薄膜具有較為明顯的優勢。

文獻[4]最先提出DLC薄膜具有極低的摩擦因數，之后諸多學者對其摩擦學性能進行了大量研究。DLC薄膜在邊界潤滑條件下顯示極低的摩擦因數和良好的耐磨性能[5-6],但鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo在高溫、高接觸應力、乏油狀態下的摩擦學性能尚不明確，也鮮有文獻對此進行論述。鑒于航空發動機軸承的使用需要，現在高溫、高接觸應力、乏油狀態下，對無表面鍍膜的W9Cr4V2Mo與鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo的摩擦學特性進行對比。

1 試驗

1.1 試驗材料及制備

試驗用鋼球和盤的基體材料均為W9Cr4V2Mo，屬于鎢系，許用溫度超過300 ℃，在某進口航空發動機主軸承上大量使用該材料，其化學組成見表1。經1 185 ℃淬火,保溫40 min冷卻→550 ℃回火2.5 h循環3次，熱處理后硬度可達61～65 HRC。

表1 W9Cr4V2Mo材料成分Tab.1 Compositions of material W9Cr4V2Mo w，%

試驗僅對盤表面進行鍍膜處理。采用磁控濺射系統(Teer CF800)在其表面沉積碳基薄膜。基底材料在鍍膜前分別在丙酮及無水乙醇中超聲波清洗15 min，以去除表面油污及其他雜質，放入真空室之前用氮氣吹干，確保試樣表面干燥潔凈。預抽真空至3.0×10-3Pa以下，通入高純氬氣，對基底施加-500 V的偏壓，利用氬等離子體對基底表面濺射清洗30 min。之后將偏壓調至-70 V，首先在基底表面沉積Cr過渡層，再逐步減小Cr靶濺射功率，使C靶與WC靶功率增加至預設值，制備梯度過渡層及表面碳膜，薄膜厚度約3 μm。

1.2 試驗方法

采用Rtec多功能摩擦磨損試驗機的球-盤模塊進行試驗，試驗原理如圖1所示。使用高溫腔體加熱樣塊，保持恒溫。

圖1 摩擦磨損試驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of friction and wear test

試驗前采用丙酮和無水乙醇對試樣進行清洗，鋼球直徑為9.525 mm，盤直徑為22 mm；試驗轉速為500 r/min，接觸軌跡半徑為4 mm；試驗溫度分別為25，100，150，200 ℃；為模擬航空發動機潤滑油中斷的工況，試驗前在盤上滴加一滴4050航空潤滑油，試驗過程不添加潤滑油；試驗時間為30 min，試驗徑向載荷為80 N，根據Hertz接觸理論進行計算。

半徑R的球與平面的接觸區半徑a為

(1)

式中：F為徑向載荷；E為彈性模量；ν為泊松比；下標1，2分別表示鋼球和盤。

Hertz接觸應力為

(2)

根據計算，接觸點處的最大接觸應力約為2 GPa。摩擦試驗后，采用光學顯微鏡對盤的磨損表面形貌進行觀察。磨損率的計算方法：首先沿盤上磨痕圓周方向均勻取5點，采用輪廓儀對其輪廓進行測量，取其平均值；再根據接觸軌跡半徑獲得磨損體積；最后根據磨損率計算公式經數據處理后獲得盤的磨損率。磨損率為

(3)

式中：V為磨痕的磨損體積；L為測試行程。

2 結果與討論

2.1 摩擦因數

不同溫度下，鋼球與W9Cr4V2Mo盤(1#試驗)和鍍DLC薄膜盤(2#試驗)的摩擦因數如圖2所示。

在同等試驗條件下，進行W9Cr4V2Mo自耦干摩擦測試，試驗開始不久因試樣磨損導致設備振動增加，后因系統保護，測試被迫中斷，該過程中摩擦因數最大值超過0.2。

由圖2可知，2種試驗所得摩擦因數均小于0.2，說明加入的4050潤滑油有效降低了摩擦因數。在試驗溫度內，2#試驗的摩擦因數為0.01～0.08，1#試驗的摩擦因數變化范圍較大，約為0.03～0.13。此外，2種試驗所得摩擦因數隨溫度升高均呈減小的趨勢，各溫度下，2#試驗的摩擦因數均比1#試驗的更低。在25 ℃下，2#試驗的摩擦因數約為0.08，而1#試驗的摩擦因數約為0.13，較2#試驗高0.05；在100 ℃下，2#試驗的摩擦因數降低至0.065～0.007，1#試驗摩擦因數減小不明顯，保持在0.1左右，兩者相差約0.03；在150 ℃下，2種試驗的摩擦因數為0.45～0.61，相差不大，且有一定的重合區域；在200 ℃下，2#試驗的摩擦因數低至0.01，1#試驗也減小至0.02。

圖2 W9Cr4V2Mo和DLC薄膜摩擦因數Fig.2 Friction coefficients of W9Cr4V2Mo and DLC films

整體而言，鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo在25～100 ℃下摩擦因數的降低效果明顯,優于150～200 ℃時，其原因為溫度較低時，航空潤滑油黏度較高，對運動副起到一定的阻滯作用，此時DLC薄膜的自潤滑性能使其具有較低的摩擦因數。

2.2 磨損率

2種試驗的磨損率隨溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 2種試驗的磨損率隨溫度變化曲線Fig.3 Variation curves of wear rate of two kinds of samples with temperature

由圖3可知，2種試驗的磨損率均隨溫度的升高而增加，2#試驗磨損率明顯低于1#試驗，并顯示出較低的溫度敏感性。在25 ℃下，1#試驗磨損率為1.36×10-8mm3/(N·m)，而2#試驗磨損率約為0.8×10-8mm3/(N·m)；在100 ℃下，2種試驗的磨損率均約為25 ℃時的2倍，2#試驗磨損率為1.69×10-8mm3/(N·m)，1#試驗磨損率為2.57×10-8mm3/(N·m)；在150 ℃下，2#試驗磨損率緩慢增加，與100 ℃相比，增加0.1×10-8mm3/(N·m)，而1#試驗磨損率陡然增加2×10-8mm3/(N·m)；在200 ℃下，2#試驗磨損率較150 ℃下的增速有所提高，但仍保持在較低水平，最終達到2.13×10-8mm3/(N·m)，1#試驗磨損率增加到5.88×10-8mm3/(N·m)。

在25～200 ℃區間內，鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo的磨損率小于W9Cr4V2Mo，其耐磨損性能沒有出現隨溫度升高而明顯衰減的現象。

2.3 磨損形貌與機理分析

為了研究試樣在乏油工況下的摩擦磨損行為及其相關的減摩、抗磨特性的作用機理，對磨損表面形貌進行分析，結果如圖4所示。

由圖4a可知，鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo試樣表面出現白色磨損痕跡，且隨著溫度的升高，其致密程度越來越高，痕跡越來越明顯。磨損主要是輕微塑性變形，犁溝形貌相對較淺，其原因是薄膜最初摩擦過程為對偶球與油潤滑薄膜的接觸，隨著對偶球不斷加載滑動，表面微凸體被磨平，磨屑彌散在油膜中，由于DLC薄膜石墨化[7-8]，該磨屑中包含了大量石墨，石墨與潤滑油混合更易在對偶球上形成連續的含碳富油轉移膜[9]，轉移膜能夠有效將對磨表面分離，從而使磨損率保持在較低的水平，與此同時，轉移膜吸附在摩擦表面降低了摩擦表面的剪切力，使摩擦因數減小[10]。

圖4 試驗后盤的磨損表面形貌Fig.4 Worn surface morphologies of disc after test

由圖4b可知，W9Cr4V2Mo表面因沒有DLC薄膜保護，呈現出極為明顯的犁溝形貌。其原因是金屬副直接接觸摩擦，隨試驗的進行，試樣表面微凸體因磨損從基體脫落，大量磨屑滯留在接觸表面，形成三體磨粒磨損，隨溫度升高，潤滑油的黏度下降[11]，使微觀局部處于完全潤滑狀態的微凸體因油膜承載能力下降而相互接觸，且金屬硬度降低[12]，耐磨性下降，在綜合作用下，金屬表現出較高的磨損率。摩擦因數降低的原因是潤滑油黏度下降，降低了黏滯阻力。雖然黏度降低增加了接觸面積，但在乏油狀態下，黏度對摩擦因數的影響較小。此外，溫度升高降低了材料的彈性模量，使材料更易發生變形，克服微凸體阻力而相對滑動變得容易，因此摩擦因數減小[13]。

經對比可知，單純潤滑油的潤滑效果不如潤滑油與DLC薄膜的固液復合潤滑，DLC薄膜的使用有效提高了金屬表面的摩擦學性能。

3 結論

1)2種試驗所得摩擦因數均隨溫度的升高而減小，2#試驗在各溫度下的摩擦因數均小于1#試驗，且在25，100 ℃時該優勢較為明顯，150 ℃時二者摩擦因數最為接近。

2)2種試樣的磨損率均隨溫度的升高而增大，在100～200 ℃內，W9Cr4V2Mo隨溫度升高而迅速增加，鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo的磨損率受溫度影響相對較小，且增速保持在較低水平。

3)DLC薄膜與潤滑油復合潤滑效果優于單純潤滑油的潤滑效果。