(1.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室，浙江省海洋 材料與防護技術重點實驗室 浙江寧波 315201；2.中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司研發(fā)中心 黑龍江哈爾濱 150000；3.江蘇金晟元特種閥門股份有限公司 江蘇南通 226000)

隨著我國航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，許多功能部件如控制力矩陀螺、姿態(tài)敏感器和動量輪等都需要在甘油環(huán)境下?lián)碛辛己玫某休d及抗磨能力[1-2]。但隨著甘油環(huán)境下的長時間運轉，甘油潤滑性能和承載能力不斷下降，最終導致運動部件摩擦發(fā)熱嚴重，接觸副之間溫度急劇升高，形成局部高溫，可能引發(fā)甘油潤滑劑理化反應形成顆粒而阻礙部件正常運轉，直至部件失效[3-4]。甘油環(huán)境下的動密封、液滴切割等摩擦部件的應用越來越多，但是甘油具有很高的黏性，導致部件摩擦力矩很大，因此除了要提高甘油環(huán)境下部件的抗磨性能，還要降低部件間的摩擦力矩[5-7]。

DLC、CrN、TiN等不同涂層的抗摩減磨性能及在潤滑介質中的摩擦性能都已經有較多的研究[8-11]，通過涂層能夠有效地提高部件的減摩抗磨性能，并且可以有效降低部件間的摩擦力矩[12-13]。所以在甘油環(huán)境中，不同配副的選擇會起到非常關鍵的作用，最佳的涂層配副十分重要[14]。本文作者首先考察了DLC、CrN、TiN這3種涂層在甘油環(huán)境的下的摩擦磨損性能，然后對優(yōu)選的涂層通過模擬部件工作狀態(tài)的盤盤摩擦方式重點考察了重載條件下不同配副組合下的摩擦力矩，從而確定了甘油環(huán)境下的最佳配副組合。為甘油環(huán)境中該類工作方式的摩擦副的減摩抗磨提供了技術支持。

1 實驗部分

1.1 涂層制備

采用Hauzer Flexicoat 850鍍膜設備，通過磁控濺射技術在單晶硅P(111)、316L不銹鋼上分別制備了DLC、CrN、TiN涂層。在沉積之前，基底先后在丙酮和無水乙醇中各超聲清洗30 min以上，然后用氮氣吹干。實驗開始前，真空室預抽至本底真空度3×10-3Pa，通入Ar氣至1 Pa左右，偏壓為-500 V，利用產生的輝光清洗襯底10 min，然后沉積Cr層作為過渡層，以提高涂層與基底之間的結合強度[15-16]。然后通入工作氣體Ar進行磁控濺射沉積薄膜涂層。沉積過程中壓力保持在1 Pa左右。涂層沉積時間為5 h，在整個沉積過程中，基底不加熱。

1.2 薄膜表征及測試

采用JSM-6710冷場發(fā)射型掃描電鏡(FESEM)觀察薄膜的表面、斷面形貌和厚度；用SPM9500型原子力顯微鏡(AFM)來觀察薄膜表面三維形貌及磨痕形貌。采用CSM球-盤摩擦磨損試驗機評價薄膜的摩擦學性能，具體試驗參數(shù)如下: 大氣環(huán)境，溫度為20～25 ℃，相對濕度RH為20%～40%，摩擦對偶為直徑3 mm的GCr15鋼球，法向載荷分別為5和20 N，頻率5 Hz，步長5 mm，分別往復運行20 000和50 000次，對應滑動距離分別為200和500 m[17-18]。用MicroMAXTM型非接觸式三維輪廓儀測試磨痕截面輪廓，通過公式(1)計算復合薄膜的磨損率。

(1)

式中：ω為磨損率，mm3/(N·m)；V為磨損體積，m3；F為法向載荷，N；s為運行距離，m。

通過3次平行試驗的磨損率的平均值來減小誤差。

采用Falex-6多樣品試驗機對不同涂層與涂層配副在甘油環(huán)境下摩擦學性能進行測試。試樣件表面均勻涂擦甘油，測試過程中保證油槽中涂層配副完全浸沒甘油里[19-20]。轉速從100 r/min開始梯度加到2 200 r/min，轉速梯度增加的時間間隔為30 s，每次增加100 r/min，轉速達到2 200 r/min后再持續(xù)運轉100 000轉，試件載荷為100 N，試驗后觀察部件表面的磨損情況。

2 結果與分析

2.1 薄膜的表面與斷面

圖1是DLC、CrN、TiN 3種薄膜的表面形貌和斷面照片，可以看出，3種薄膜的厚度均在2～3 μm之間，其中，DLC薄膜結構致密，表面平整，粗糙度最??；CrN薄膜結構較致密，表面較平整，粗糙度較??；TiN薄膜結構較疏松，斷面可看到很多柱狀結構，表面有很多坑洼，粗糙度最大。

圖1 DLC(A)、CrN(B)、TiN(C) 3種薄膜的表面形貌和斷面照片F(xiàn)ig 1 The surface and section photos of DLC film (A),CrN film(B)and TiN film(C)

2.2 涂層摩擦學性能分析

圖2示出了DLC、CrN、TiN 3種薄膜在大氣環(huán)境中的摩擦因數(shù)曲線?？煽闯鯠LC薄膜的摩擦因數(shù)最低為0.08，CrN、TiN薄膜摩擦因數(shù)均較高，干摩擦下DLC薄膜減摩性能最好。通過三維輪廓圖觀察磨痕形貌(如圖3所示)及計算磨損率，得出DLC薄膜的磨損率為2.01×10-7mm3/(N·m)，最大磨痕深度為0.60 μm；CrN薄膜的磨損率為1.83×10-7mm3/(N·m)，最大磨痕深度為0.44 μm；TiN薄膜磨穿失效，最大磨痕深度為5.66 μm。大氣環(huán)境下DLC和CrN薄膜表現(xiàn)出了較好的耐磨性能，而TiN的耐磨性較差。大氣環(huán)境下與DLC薄膜對磨的摩擦副容易形成轉移膜，降低了摩擦因數(shù)，從而減少了磨損提高了耐磨性。CrN和TiN薄膜磨損過程中產生硬質磨屑，摩擦過程中產生很深的犁溝(如圖3所示)，屬于磨粒磨損，磨損較嚴重。

圖2 DLC、CrN、TiN 3種薄膜在 空氣介質中的摩擦因數(shù)曲線Fig 2 Friction coefficient curves of DLC, CrN and TiN films in air medium

圖3 DLC(A)、CrN(B)、TiN(C)3種薄膜 在空氣介質中的磨損截面圖及三維輪廓圖Fig 3 The wear profile and 3D profile of DLC film(A)、 CrN film(B)and TiN film(C)in air medium

2.3 薄膜在甘油介質中的摩擦磨損性能

圖4示出了DLC、CrN、TiN 3種薄膜在甘油介質中5 N載荷下的摩擦因數(shù)曲線?？煽闯龈视铜h(huán)境下涂層起始摩擦因數(shù)均降低較多，其中DLC和CrN薄膜的摩擦因數(shù)均降到0.08，TiN薄膜的摩擦因數(shù)也降到了0.09，甘油環(huán)境下涂層摩擦學性能明顯提高。通過三維輪廓圖觀察磨痕形貌(如圖5所示)及計算磨損率，得出DLC薄膜的磨損率為4.22×10-8mm3/(N·m)，最大磨痕深度為0.19 μm；CrN薄膜的磨損率為4.14×10-8mm3/(N·m)，最大磨痕深度為0.24 μm；TiN薄膜磨損率為4.15×10-8mm3/(N·m)，最大磨痕深度為0.25 μm。在甘油中3種薄膜均表現(xiàn)出了較好的減摩性能及耐磨性能，且耐磨性相近。在甘油環(huán)境中磨屑等隨著甘油流動被排出，使得磨痕光滑無犁溝等，磨損降低。

圖4 DLC、CrN、TiN 3種薄膜在甘油介 質中5 N載荷下的摩擦因數(shù)曲線Fig 4 Friction coefficient curves of DLC,CrN and TiN films in glycerin medium at 5 N load

圖5 DLC、CrN、TiN 3種薄膜在甘油介質中 5 N載荷下的磨損截面圖及三維輪廓圖Fig 5 The wear profile and 3D profile of DLC，CrN and TiN films in glycerin medium at 5 N load

2.4 不同摩擦配副在甘油環(huán)境中的摩擦力矩變化

DLC、CrN和TiN 3種薄膜在甘油環(huán)境下均具有良好的摩擦學性能，針對應用環(huán)境，分別對3種涂層高載荷下摩擦力矩進行分析研究。圖6所示是不同配副在甘油環(huán)境中載荷100 N條件下的最大摩擦力矩隨轉速的變化關系?？梢钥闯?，DLC-STEEL配副的啟動摩擦力矩非常大，隨著轉速的提高，DLC-STEEL仍然表現(xiàn)出相對較高的摩擦力矩，而且摩擦力矩波動較大；DLC-CrN和DLC-DLC配副初始的啟動摩擦力矩較小，在高轉速的情況下，DLC-CrN配副依然表現(xiàn)出相對較低的摩擦力矩；DLC-CrN涂層配副在進入高轉速階段后的整個測試過程中表現(xiàn)出相對較低的摩擦力矩。

圖6 不同配副在甘油環(huán)境中載荷100 N 條件下的最大摩擦力矩隨轉速的變化Fig 6 Variation of maximum friction torque with rotation speed for different matching pairs in the glycerol environment at 100 N load

圖7是幾種配副在甘油環(huán)境中100 N載荷條件下摩擦后的實物照片。可以看出，測試結束后，4種配副上下樣塊表面均未顯示出明顯的磨損及劃痕。

圖7 幾種配副在甘油環(huán)境中100 N載荷條件下摩擦后的實物照片F(xiàn)ig 7 Photos of several matching pairs after rubbing under 100 N load in glycerin environment(a)DLC-CrN matching；(b)DLC- steel matching；(c)DLC-DLC matching；(d)CrN-CrN matching

3 結論

(1)DLC涂層無論是在大氣環(huán)境還是在甘油中都具有優(yōu)秀的減摩性能及耐磨損性能，摩擦因數(shù)均低于0.1，磨損率分別低至2.01×10-7mm3/(N·m)和4.22×10-8mm3/(N·m)。

(2)CrN涂層和TiN涂層在甘油中具有和DLC相似的減摩耐磨性能，但其在干摩擦條件下的減摩性能較DLC差。

(3)DLC-CrN配副在100 N載荷下的整個測試過程中最大摩擦力矩均比較小，且樣塊表面無明顯的磨損及劃痕，配副情況較佳，是最適于甘油環(huán)境的配副。