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(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201；3.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

隨著航空發(fā)動機(jī)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(zhàn)斗機(jī)在進(jìn)行某種機(jī)動動作時(shí)會偶發(fā)瞬時(shí)潤滑油中斷供應(yīng)的情況，為保證軸承在此極限工況(高溫、高應(yīng)力、乏油)下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承的耐磨損和潤滑性能受到越來越高的關(guān)注。為提高軸承抵抗?jié)櫥椭袛嗟哪芰Γ瑑H采用傳統(tǒng)軸承材料已不足以確保航空發(fā)動機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對W9Cr4V2Mo鋼采用表面改性技術(shù)是提高軸承性能的有效方法之一。

表面改性技術(shù)主要通過物理或者化學(xué)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(shù)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(wěn)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(zhì)強(qiáng)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(shù)是強(qiáng)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(zhì)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(yōu)點(diǎn)[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(chǎn)生影響，故DLC薄膜具有較為明顯的優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[4]最先提出DLC薄膜具有極低的摩擦因數(shù)，之后諸多學(xué)者對其摩擦學(xué)性能進(jìn)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(shù)和良好的耐磨性能[5-6],但鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo在高溫、高接觸應(yīng)力、乏油狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能尚不明確，也鮮有文獻(xiàn)對此進(jìn)行論述。鑒于航空發(fā)動機(jī)軸承的使用需要，現(xiàn)在高溫、高接觸應(yīng)力、乏油狀態(tài)下，對無表面鍍膜的W9Cr4V2Mo與鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo的摩擦學(xué)特性進(jìn)行對比。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及制備

試驗(yàn)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(jìn)口航空發(fā)動機(jī)主軸承上大量使用該材料，其化學(xué)組成見表1。經(jīng)1 185 ℃淬火,保溫40 min冷卻→550 ℃回火2.5 h循環(huán)3次，熱處理后硬度可達(dá)61～65 HRC。

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

試驗(yàn)僅對盤表面進(jìn)行鍍膜處理。采用磁控濺射系統(tǒng)(Teer CF800)在其表面沉積碳基薄膜?；撞牧显阱兡で胺謩e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(zhì)，放入真空室之前用氮?dú)獯蹈桑_保試樣表面干燥潔凈。預(yù)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(diào)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(yù)設(shè)值，制備梯度過渡層及表面碳膜，薄膜厚度約3 μm。

1.2 試驗(yàn)方法

采用Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的球-盤模塊進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of friction and wear test

試驗(yàn)前采用丙酮和無水乙醇對試樣進(jìn)行清洗，鋼球直徑為9.525 mm，盤直徑為22 mm；試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為500 r/min，接觸軌跡半徑為4 mm；試驗(yàn)溫度分別為25，100，150，200 ℃；為模擬航空發(fā)動機(jī)潤滑油中斷的工況，試驗(yàn)前在盤上滴加一滴4050航空潤滑油，試驗(yàn)過程不添加潤滑油；試驗(yàn)時(shí)間為30 min，試驗(yàn)徑向載荷為80 N，根據(jù)Hertz接觸理論進(jìn)行計(jì)算。

半徑R的球與平面的接觸區(qū)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(biāo)1，2分別表示鋼球和盤。

Hertz接觸應(yīng)力為

(2)

根據(jù)計(jì)算，接觸點(diǎn)處的最大接觸應(yīng)力約為2 GPa。摩擦試驗(yàn)后，采用光學(xué)顯微鏡對盤的磨損表面形貌進(jìn)行觀察。磨損率的計(jì)算方法：首先沿盤上磨痕圓周方向均勻取5點(diǎn)，采用輪廓儀對其輪廓進(jìn)行測量，取其平均值；再根據(jù)接觸軌跡半徑獲得磨損體積；最后根據(jù)磨損率計(jì)算公式經(jīng)數(shù)據(jù)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(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

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

在同等試驗(yàn)條件下，進(jìn)行W9Cr4V2Mo自耦干摩擦測試，試驗(yàn)開始不久因試樣磨損導(dǎo)致設(shè)備振動增加，后因系統(tǒng)保護(hù)，測試被迫中斷，該過程中摩擦因數(shù)最大值超過0.2。

由圖2可知，2種試驗(yàn)所得摩擦因數(shù)均小于0.2，說明加入的4050潤滑油有效降低了摩擦因數(shù)。在試驗(yàn)溫度內(nèi)，2#試驗(yàn)的摩擦因數(shù)為0.01～0.08，1#試驗(yàn)的摩擦因數(shù)變化范圍較大，約為0.03～0.13。此外，2種試驗(yàn)所得摩擦因數(shù)隨溫度升高均呈減小的趨勢，各溫度下，2#試驗(yàn)的摩擦因數(shù)均比1#試驗(yàn)的更低。在25 ℃下，2#試驗(yàn)的摩擦因數(shù)約為0.08，而1#試驗(yàn)的摩擦因數(shù)約為0.13，較2#試驗(yàn)高0.05；在100 ℃下，2#試驗(yàn)的摩擦因數(shù)降低至0.065～0.007，1#試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)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(yàn)的摩擦因數(shù)為0.45～0.61，相差不大，且有一定的重合區(qū)域；在200 ℃下，2#試驗(yàn)的摩擦因數(shù)低至0.01，1#試驗(yàn)也減小至0.02。

圖2 W9Cr4V2Mo和DLC薄膜摩擦因數(shù)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(shù)的降低效果明顯,優(yōu)于150～200 ℃時(shí)，其原因?yàn)闇囟容^低時(shí)，航空潤滑油黏度較高，對運(yùn)動副起到一定的阻滯作用，此時(shí)DLC薄膜的自潤滑性能使其具有較低的摩擦因數(shù)。

2.2 磨損率

2種試驗(yàn)的磨損率隨溫度變化曲線如圖3所示。

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

在25～200 ℃區(qū)間內(nèi)，鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo的磨損率小于W9Cr4V2Mo，其耐磨損性能沒有出現(xiàn)隨溫度升高而明顯衰減的現(xiàn)象。

2.3 磨損形貌與機(jī)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(guān)的減摩、抗磨特性的作用機(jī)理，對磨損表面形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4a可知，鍍DLC薄膜W9Cr4V2Mo試樣表面出現(xiàn)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(xù)的含碳富油轉(zhuǎn)移膜[9]，轉(zhuǎn)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(shí)，轉(zhuǎn)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(shù)減小[10]。

圖4 試驗(yàn)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(hù)，呈現(xiàn)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(yàn)的進(jìn)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(tài)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(xiàn)出較高的磨損率。摩擦因數(shù)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(tài)下，黏度對摩擦因數(shù)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(fā)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(shù)減小[13]。

經(jīng)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(fù)合潤滑，DLC薄膜的使用有效提高了金屬表面的摩擦學(xué)性能。

3 結(jié)論

1)2種試驗(yàn)所得摩擦因數(shù)均隨溫度的升高而減小，2#試驗(yàn)在各溫度下的摩擦因數(shù)均小于1#試驗(yàn)，且在25，100 ℃時(shí)該優(yōu)勢較為明顯，150 ℃時(shí)二者摩擦因數(shù)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(nèi)，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(fù)合潤滑效果優(yōu)于單純潤滑油的潤滑效果。