轉(zhuǎn)子鋼20Cr13 表面硬質(zhì)PVD 涂層摩擦磨損性能分析

楊 劍， 沙 鵬， 李 偉， 沈奎雙， 雷學(xué)林

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所, 上海 201108；2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 上海 200237）

螺桿壓縮機(jī)以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于制藥、冶金、制冷等領(lǐng)域[1-3]。由于螺桿壓縮機(jī)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期處于接觸摩擦的工作環(huán)境，因此對(duì)轉(zhuǎn)子基材20Cr13 表面的防腐耐磨物理氣相沉積(PVD)涂層的摩擦磨損進(jìn)行研究有重要的應(yīng)用價(jià)值。常見(jiàn)的防腐耐磨PVD 涂層[4-6]以TiN、CrN 和TiAlCrN 為主，其因具有極高的硬度和較低的摩擦因數(shù)，能夠賦予涂層優(yōu)異的性能[7-9]。

國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者對(duì)不同基底表面的不同工藝PVD 涂層進(jìn)行了大量研究，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)PVD工藝在不同基底表面涂層可以顯著增強(qiáng)基底材料的綜合性能。Yuan 等[10]將TiAlCrN涂層涂敷在DA718硬質(zhì)刀具表面，使涂層刀具的使用壽命顯著增加，并且在高速切削過(guò)程中，表面會(huì)生成具有潤(rùn)滑、耐磨效果的摩擦膜，提高刀具壽命。湯成建等[11]在H13 表面涂敷TiAlSiN 涂層，涂層表面主要為(Ti, Al)N 相，其高溫氧化后會(huì)形成一層Al2O3氧化膜，提高了涂層的抗氧化性能，涂層表面還會(huì)形成SiO2降低了表面摩擦因數(shù)。張顯銀等[12]在高速鋼表面制備了TiCN、TiAlN 及TiAlCrN 涂層，研究其摩擦特性與切削性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiAlCrN 涂層的磨損形式主要為磨粒磨損、疲勞與氧化，其硬度最高，抗磨損性能也優(yōu)于TiCN 及TiAlN 涂層。

由于物理氣相沉積工藝的效率高、涂層溫度低、結(jié)合力高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于表面涂層強(qiáng)化領(lǐng)域[13]，目前主流的兩種工藝分別為多弧離子鍍和磁控濺射。多弧離子鍍工藝鍍膜速率高、繞鍍性好，但是涂層表面會(huì)出現(xiàn)一些噴濺顆粒的污染和一些大顆粒沉積[14]。磁控濺射涂層表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，但使靶材會(huì)出現(xiàn)刻蝕不均勻、利用率低的問(wèn)題[15]。

本文采用多弧離子鍍與磁控濺射技術(shù)，綜合兩種工藝鍍膜速率高、繞鍍性好、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異等優(yōu)勢(shì)，對(duì)轉(zhuǎn)子鋼基材20Cr13 表面進(jìn)行CrN、TiN、TiAlCrN 3 種PVD 涂層沉積，利用時(shí)效處理模擬轉(zhuǎn)子工作溫度，通過(guò)顯微硬度儀、三維形貌儀、納米劃痕儀、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究3 種涂層的各項(xiàng)物理性能及摩擦磨損性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

本文使用材料為20Cr13，其化學(xué)成分如表1所示。將材料通過(guò)線切割加工為25 mm×25 mm×10 mm 的平片試樣，通過(guò)丙酮清洗表面油污，壓縮空氣吹干后，利用酒精超聲清洗并烘干。利用圖1 所示Hauzer Flexicoat 1 000 涂層沉積裝置對(duì)試樣分別進(jìn)行CrN、TiN、TiAlCrN 3 種PVD 涂層的制備，涂層沉積參數(shù)如表2 所示。利用馬弗爐，對(duì)涂層后試樣進(jìn)行200 ℃，50 h 的時(shí)效處理，模擬轉(zhuǎn)子真實(shí)工作溫度。時(shí)效處理后試樣如圖2 所示。

圖1 Hauzer Flexicoat 1000 涂層沉積裝置Fig.1 Hauzer Flexicoat 1000 coating depositor

圖2 時(shí)效處理后不同涂層試樣Fig.2 Different coating samples after aging treatment

表1 20Cr13 的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 20Cr13

表2 涂層沉積參數(shù)Table 2 Coating deposition parameters

1.2 性能試驗(yàn)

采用HVS100 顯微硬度儀（載荷設(shè)置0.0981 N，保載15 s）分別對(duì)試樣表面進(jìn)行15 個(gè)位置的硬度測(cè)量，取平均硬度。通過(guò)Alicona 三維形貌儀，測(cè)量涂層表面粗糙度（Ra）。通過(guò)Anton Paar MCT 納米劃痕儀進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，載荷設(shè)置30 N，加載速率50 mN/s，對(duì)表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，得到涂層邊緣破損的臨界載荷，表征為薄膜結(jié)合力。

圖3 示出了球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。如圖所示，通過(guò)砝碼提供載荷，下方轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)試樣夾具，并通過(guò)試樣與摩擦球的干摩擦，獲得摩擦因數(shù)。本文通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，施加載荷4 N，轉(zhuǎn)速300 r/min，進(jìn)行15 min 的摩擦磨損試驗(yàn)得到涂層的摩擦因數(shù)。采用電子天平測(cè)得質(zhì)量損失（G），利用三維形貌儀測(cè)量磨損面積（S），計(jì)算得到單位磨損率（G/S），使用ZeissCrossbeam 340 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)磨損部位進(jìn)行微觀形貌及元素分析。

圖3 球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Ball disc friction and wear tester

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層物理性能

圖4 示出了涂層顯微硬度、表面粗糙度、薄膜結(jié)合力的試驗(yàn)結(jié)果，CrN 涂層硬度為21 863 N/mm2（2 231 HV），TiN 涂層硬度為34 907 N/mm2（3 562 HV），TiAlCrN 硬度為67 845 N/mm2（6 923 HV），未涂層試樣硬度為4 145 N/mm2（423 HV），3 種涂層硬度均遠(yuǎn)高于基底材料硬度。CrN 涂層表面粗糙度為0.284 μm，TiN 涂層表面粗糙度為0.289 μm，TiAlCrN 涂層表面粗糙度為0.328 μm，未涂層試樣表面粗糙度為0.723 μm，根據(jù)結(jié)果可以看出3 種涂層表面粗糙度均低于未涂層試樣， PVD 工藝可以有效改善試樣表面質(zhì)量。圖5示出了劃痕試驗(yàn)后試樣劃痕區(qū)域的表面形貌（圖中Lc為劃痕區(qū)域出現(xiàn)破損的點(diǎn)），根據(jù)形貌結(jié)果可以看出，CrN 涂層邊緣無(wú)明顯損傷，末端出現(xiàn)破損；TiN 涂層在劃痕中間部位的劃痕邊緣處開始出現(xiàn)破損，TiAlCrN 劃痕中間部位出現(xiàn)微小裂紋，到劃痕即將結(jié)束時(shí)，開始出現(xiàn)破損。根據(jù)薄膜結(jié)合力試驗(yàn)結(jié)果得到，CrN 涂層薄膜結(jié)合力最高，TiN 涂層結(jié)合力為3 種涂層中最低的。

圖4 涂層性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Coating performance test results

圖5 劃痕試驗(yàn)試樣表面形貌Fig.5 Surface morphology of scratch test sample

2.2 涂層表面摩擦磨損試驗(yàn)

圖6 示出了3 種涂層試樣及未涂層試樣放大5 倍的表面形貌，通過(guò)形貌可以看出，摩擦球和試樣接觸磨損路徑為一個(gè)圓環(huán)路徑。利用ⅠmageJ 軟件測(cè)得每個(gè)試樣的磨損數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表3 所示。根據(jù)表3 所得數(shù)據(jù)，未涂層試樣磨損率最高12.44 mg/mm2，TiAlCrN試樣磨損率最低1.68 mg/mm2；CrN 涂層試樣磨損率3.26 mg/mm2，TiN 涂層試樣磨損率4.47 mg/mm2。因此，3 種涂層均可以顯著提升基底的耐磨損能力，其中TiAlCrN涂層性能尤佳。

圖6 各類試樣磨損形貌Fig.6 Wear morphology of various samples

表3 各類試樣磨損數(shù)據(jù)Table 3 Wear data of various samples

圖7(a)為摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)所測(cè)得的摩擦因數(shù)曲線，以穩(wěn)定后的平均值作為試樣的摩擦因數(shù)，如圖7(b)所示，未涂層試樣摩擦因數(shù)0.640，CrN 涂層試樣摩擦因數(shù)為0.560，TiN 涂層試樣摩擦因數(shù)為0.585，TiAlCrN 涂層試樣摩擦因數(shù)為0.619。結(jié)合4 種試樣的表面粗糙度，未涂層試樣表面質(zhì)量最差，3 種涂層試樣中，CrN 表面質(zhì)量較優(yōu)，TiAlCrN 表面質(zhì)量較差。圖8 示出了4 種試樣的微觀形貌。分別在4 種試樣摩擦表面選取均勻位置進(jìn)行元素分析，結(jié)果如圖9 和表4 所示，通過(guò)微觀形貌及元素分析結(jié)果可以看出，未涂層試樣經(jīng)摩擦磨損試驗(yàn)后，產(chǎn)生部分的拋光平面以及大面積的磨損堆積，雖然Cr 元素含量很高，但元素中沒(méi)有測(cè)出O 元素，20Cr13 的拋光平面未生成氧化膜；CrN 涂層表面有明顯的涂層破損與涂層堆積，元素分析中包含了Cr 元素與O 元素，在摩擦磨損試驗(yàn)中生成的氧化膜增強(qiáng)了其抗磨損能力；TiN 涂層試樣表面出現(xiàn)了大面積的涂層剝落，剩余涂層中也出現(xiàn)了大量裂紋，僅有少部分涂層堆積，根據(jù)元素分析，沒(méi)有Ti 元素，表面涂層已經(jīng)剝落，但是在涂層剝落后，基底表面生成了Cr 和O 元素構(gòu)成的氧化膜；TiAlCrN 涂層表面涂層沒(méi)有剝落與裂紋，只有部分的涂層堆積，出現(xiàn)了大面積的氧化膜，根據(jù)元素分析，表面氧化膜組成主要為O、Cr、Ti 3 種元素，Al 元素生成的氧化膜在涂層最外表面，先被磨損，因此表面元素僅含微量Al 元素。結(jié)合表面粗糙度和摩擦因數(shù)測(cè)量結(jié)果，涂層表面摩擦后會(huì)出現(xiàn)拋光作用，生成致密的氧化膜，提高試樣表面質(zhì)量與耐摩擦磨損性能。

圖7 各類試樣摩擦因數(shù)Fig.7 Friction coefficient of various samples

圖8 不同試樣微觀形貌Fig.8 Micromorphology of different samples

圖9 不同試樣元素分析Fig.9 Element analysis of different samples

表4 不同試樣元素含量分析Table 4 Element content analysis of different samples

本文通過(guò)多弧離子鍍與磁控濺射結(jié)合工藝所制備的TiAlCrN 涂層硬度達(dá)到67 845 N/mm2，表面粗糙度Ra 為0.723 μm，摩擦因數(shù)為0.619，而多弧離子鍍與磁控濺射單一工藝所制備出的TiAlCrN 耐磨涂層，其硬度約9 800～39 200 N/mm2，薄膜結(jié)合力均小于30 N，摩擦因數(shù)約0.7～1.0，相比較下通過(guò)結(jié)合工藝所制備的涂層表面無(wú)明顯大液滴，表面質(zhì)量較好，薄膜結(jié)合力較高[16-20]。與激光熔覆工藝所制備的耐磨涂層相比，本文制備的涂層更薄僅有3 μm 左右，對(duì)零件尺寸影響較小，而激光熔覆涂層厚度大于500 μm且需要通過(guò)滾壓等工藝對(duì)涂層表面進(jìn)行二次處理。通過(guò)多弧離子鍍與磁控濺射結(jié)合工藝制備涂層更加方便，而且價(jià)格較低，更適用于轉(zhuǎn)子表面涂層進(jìn)行強(qiáng)化[21]。

3 結(jié) 論

（1）性能表征試驗(yàn)結(jié)果表明，3 種涂層對(duì)于基底都有顯著的性能提升作用，其中TiAlCrN 涂層硬度較高(67 845 N/mm2)，但其表面粗糙度Ra較高(0.328 μm)；CrN 涂層硬度較低(21 863 N/mm2)，薄膜結(jié)合力較高(30 N)，表面粗糙度Ra最低(0.284 μm)；TiN 涂層薄膜結(jié)合力較差(18 N)。CrN 表面質(zhì)量較佳，TiAlCrN硬度提升較高。CrN 涂層摩擦因數(shù)較低(0.560)，TiAlCrN 涂層摩擦因數(shù)較高(0.619)，摩擦系數(shù)結(jié)果與表面粗糙度結(jié)果相對(duì)應(yīng)，3 種涂層均可以提高基底減摩性能，其中CrN 提升最高。

（2）通過(guò)涂層表面摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出，CrN 涂層磨損率為3.26 mg/mm2，TiN 涂層磨損率為4.47 mg/mm2，TiAlCrN 涂層磨損率為1.68 mg/mm2，未涂層試樣磨損率為12.44 mg/mm2。因此，涂層后試樣可以顯著提升基底耐磨損性能，其中CrN 與TiAlCrN 表面與氧氣接觸，在摩擦作用下生成的氧化膜進(jìn)一步增強(qiáng)了試樣的耐磨損性能。由于TiAlCrN硬度較高，其耐磨性最佳，而TiN 薄膜結(jié)合力低，在摩擦磨損試驗(yàn)中，表面涂層大面積磨損，裂紋。TiAlCrN 涂層為3 種涂層中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子表面耐摩擦磨損涂層的優(yōu)化選擇。