單 磊 陳 罡 陳樂(lè)平 陳 健

海洋裝備中的一些關(guān)鍵摩擦副零部件，必須在海水環(huán)境中工作[1,2]。其可靠性和使用壽命在很大程度上取決于它們?cè)诤Ｑ蟓h(huán)境中的摩擦學(xué)性能。而PVD涂層具有良好的潤(rùn)滑和防護(hù)效果，是提高這些零部件在海水中使用壽命的最有效方法之一。近年來(lái)，CrN涂層由于其高硬度、良好的耐磨性和耐蝕性，在工業(yè)上有了廣泛的應(yīng)用。例如，CrN涂層可以提高在泥漿中的抗沖蝕性以及提高304不銹鋼在3.5wt%NaCl溶液中的耐蝕性。然而，CrN涂層在海水中摩擦學(xué)行為的研究較為稀少。本文探討了在人工海水中的TiN、TiCN和rN涂層摩擦學(xué)性能，分析了涂層在大氣、蒸餾水和人工海水的摩擦磨損行為，以及不同介質(zhì)對(duì)涂層的摩擦學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 涂層的制備和表征

試驗(yàn)采用316L不銹鋼 (30mm×20mm×2mm)和硅片 (30mm×0.8mm)作為基片。涂層的制備和表征詳見(jiàn)《中國(guó)表面工程》2013年第6期，TiN、TiCN和CrN涂層在海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能[3]。

1.2 摩擦學(xué)試驗(yàn)

磨損試驗(yàn)采用往復(fù)式球-盤(pán)摩擦試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試時(shí)室溫約20±5℃和相對(duì)濕度為60±5%。碳化鎢鋼球作為對(duì)磨球，直徑為3mm，表面粗糙度為53nm和硬度約為15 GPa。測(cè)試條件：滑動(dòng)頻率為5Hz，恒定負(fù)載5N和滑動(dòng)行程5mm，并連續(xù)記錄測(cè)試過(guò)程中的摩擦系數(shù)，摩擦持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)。磨痕深度剖面由Alpha-Step IQ輪廓儀測(cè)試獲得，磨損率W根據(jù)經(jīng)典磨損方程計(jì)算獲得：

S是滑動(dòng)距離，L是加載的垂直力。

人工海水根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 1141-98制備，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 人工的化學(xué)成分

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖1為涂層的表面和截面形貌圖。由圖1a可以發(fā)現(xiàn)很多白色的大顆粒散亂地分布在涂層的表面，這些大顆粒的形狀不規(guī)則且有些大顆粒貫穿涂層的表面。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)一些微小的凹坑無(wú)規(guī)律地分布在涂層的表面。由圖1b為涂層脆斷面的形貌圖，可看出 CrN涂層在生長(zhǎng)方向柱狀晶特征較為明顯，結(jié)構(gòu)較為致密，厚度約為7 m。

圖1 涂層的表面和截面形貌

2.2 機(jī)械性能

圖2為涂層的納米硬度和彈性模量測(cè)試結(jié)果圖。由圖可以看出涂層硬度和彈性模量的值分別為26.4 GPa和457GPa?；瑢?duì)硬度有明顯影響，隨著壓痕深度增加，硬度減小。對(duì)于應(yīng)用于摩擦學(xué)的涂層，H3/E2的比值是預(yù)測(cè)涂層機(jī)械磨損性能的重要參數(shù)。而該涂層的這個(gè)數(shù)值大于0.1，預(yù)示著該涂層具有良好的抵抗塑性變形的能力。

圖2 涂層的納米硬度和彈性模量

2.3 摩擦性能

圖3為CrN涂層和316L與WC球?qū)δピ诓煌h(huán)境中的摩擦行為。在大氣環(huán)境下（圖3a），CrN涂層的摩擦系數(shù)先迅速增加，約150秒后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定磨損階段。在蒸餾水和人工海水中（圖3b、c），涂層的摩擦系數(shù)具有類(lèi)似的特征：第一部分摩擦系數(shù)快速增長(zhǎng)，這是磨合期的表現(xiàn)；第二部分表現(xiàn)為系數(shù)明顯降低。在磨合期后摩擦系數(shù)降低是由球和涂層的磨損急劇增加形成的，磨損導(dǎo)致摩擦副之間的界面變得平滑。

圖3 CrN涂層和316L在各環(huán)境中的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

如圖4所示，大氣中的平均摩擦系數(shù)高于蒸餾水和人工海水中的，這可歸因于摩擦副吸附水分子，一定程度提供了邊界潤(rùn)滑作用。此外，潤(rùn)滑介質(zhì)包裹的磨?？梢宰鳛闈L動(dòng)的球，使得摩擦過(guò)程更加平滑。海水中的摩擦系數(shù)略低于蒸餾水中，這是因?yàn)楫?dāng)滑動(dòng)摩擦?xí)r，海水中活躍的離子將和表面涂層和對(duì)磨球的元素反應(yīng)，形成含氧化物，氯化物，Mg(OH)2和CaCO3的潤(rùn)滑劑[4]。因此，海水中的摩擦系數(shù)低于蒸餾水中。由圖4可以看出，涂層的摩擦系數(shù)在每種環(huán)境下都明顯低于未鍍膜的316L。

2.4 磨損特性

圖4 涂層和316L在各環(huán)境中的平均摩擦系數(shù)

圖5為CrN涂層和316L在大氣、蒸餾水和海水中摩擦實(shí)驗(yàn)后磨痕的橫截面。如圖5a所示，在大氣中磨痕深度遠(yuǎn)比在水和海水大，這是由于在空氣中的高摩擦系數(shù)導(dǎo)致的。并且在海水中的最大磨痕深度略高于蒸餾水中，這是由于海水中的腐蝕和摩擦腐蝕反應(yīng)而形成的。而對(duì)于CrN涂層，發(fā)現(xiàn)在三個(gè)環(huán)境中的磨痕深度區(qū)別不明顯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)海水中的磨痕深度高于蒸餾水，這可能主要由于海水中的摩擦副的摩擦腐蝕形成的。海水的腐蝕性對(duì)涂層的鍵合有破壞作用，使得磨損片在摩擦過(guò)程中可以很容易地剝離涂層。因此，海水環(huán)境中形成了更深的磨痕。然而，在蒸餾水的磨痕寬度比海水更寬，這來(lái)自于蒸餾水中更大的接觸面積形成的。由于蒸餾水中較大的摩擦系數(shù)導(dǎo)致剪切應(yīng)力更大，從而使接觸面積較大。比較圖5a和b，明顯可以看出涂層的磨痕深度遠(yuǎn)小于316L的磨痕深度。

從圖6可以看出CrN涂層的磨損率在三種環(huán)境下都比316L低得多，這可以歸因于CrN涂層較高的硬度和較低的摩擦系數(shù)。涂層在蒸餾水中的磨損率略低于空氣中，這是因?yàn)檎麴s水中摩擦系數(shù)較低。水對(duì)磨損率的影響具有雙面性，一方面可以通過(guò)加速微裂縫增長(zhǎng)而導(dǎo)致高磨損效果，另一方面可以形成邊界潤(rùn)滑而降低摩擦系數(shù)導(dǎo)致低磨損率。這說(shuō)明該CrN涂層在水中的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。在海水中，CrN涂層磨損率（包括在海水中腐蝕的陽(yáng)極溶解）低于蒸餾水。在海水中的摩擦磨損系統(tǒng)是一個(gè)典型的磨蝕過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中磨損和腐蝕共同通過(guò)機(jī)械和化學(xué)弱化材料。在海水中高濃度的氯離子，對(duì)鈍化層（主要含有鉻，氮和氧元素）有強(qiáng)烈的破壞作用，在快速滑動(dòng)摩擦的作用下，它可以很容易地分解并產(chǎn)生新的摩擦界面，暴露于腐蝕性環(huán)境下，進(jìn)一步加速磨損。腐蝕性的介質(zhì)使涂層活化，加速滑動(dòng)過(guò)程中的陽(yáng)極溶解，磨損量增大（腐蝕加速磨損）。增加的磨損導(dǎo)致更多的缺陷，使腐蝕速度加快。結(jié)果腐蝕和磨損之間的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致海水中的磨損率較高。然而，海水的摩擦系數(shù)低于蒸餾水，這會(huì)導(dǎo)致較低的磨損率。由于CrN涂層在氯離子溶液具有良好的抗腐蝕性，因此磨粒磨損起主導(dǎo)作用，使得通過(guò)腐蝕或摩擦造成的腐蝕磨損量相對(duì)較低。此外，具有結(jié)構(gòu)致密的厚的CrN涂層可以提高抗腐蝕性。因此具有良好的耐腐蝕性的材料在海水中比在蒸餾水有更低的磨損率，這與其他文獻(xiàn)的結(jié)論是一致的[5]。

圖5 316L和CrN涂層在各環(huán)境中磨痕的截面輪廓

圖6 316L和CrN涂層在各環(huán)境中的磨損率

3 結(jié)論

本文研究了CrN涂層在大氣、蒸餾水和海水環(huán)境中的摩擦磨損性能，其主要結(jié)論如下：

1）CrN涂層在海水中的摩擦系數(shù)低于空氣和蒸餾水，這是由于流體動(dòng)力潤(rùn)滑和良好的潤(rùn)滑介質(zhì)（主要含氧化物，氯化物，氫氧化鎂和碳酸鈣。

2）涂層在人工海水中的磨損率低于蒸餾水和空氣,這是因?yàn)檩^低的摩擦系數(shù)和良好的耐蝕性而導(dǎo)致的。

3）相比于未鍍膜的316L不銹鋼，CrN涂層在海水中的摩擦系數(shù)和磨損率大大降低。

[1]Cui G,Bi Q,Zhu S,et al.Tribological properties of bronze–graphite composites under sea water condition[J].Tribology International,2012,5376-86.

[2]Nie S L,Huang G H,Li Y P.Tribological study on hydrostatic slipper bearing with annular orifice damper for water hydraulic axial piston motor[J].Tribology International,2006,39(11):1342-1354.

[3]單磊,王永欣,李金龍等.TiN、TiCN和CrN涂層在海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能[J].中國(guó)表面工程,2013,26(6):86-92.

[4]Wang J,Yan F,Xue Q.Tribological behavior of PTFE sliding against steel in sea water[J].Wear,2009,267(9):1634-1641.

[5]Wang J,Chen J,Chen B,et al.Wear behaviors and wear mechanisms of several alloys under simulated deep-sea environment covering seawater hydrostatic pressure[J].Tribology International,2012,56(0):38-46.