转子钢20Cr13,表面硬质PVD,涂层摩擦磨损性能分析

杨 剑， 沙 鹏， 李 伟， 沈奎双， 雷学林

（1.中国船舶集团有限公司第七一一研究所, 上海 201108；
2.华东理工大学机械与动力工程学院, 上海 200237）

螺杆压缩机以其优异的性能被广泛应用于制药、冶金、制冷等领域[1-3]。由于螺杆压缩机阴阳转子长期处于接触摩擦的工作环境，因此对转子基材20Cr13 表面的防腐耐磨物理气相沉积(PVD)涂层的摩擦磨损进行研究有重要的应用价值。常见的防腐耐磨PVD 涂层[4-6]以TiN、CrN 和TiAlCrN 为主，其因具有极高的硬度和较低的摩擦因数，能够赋予涂层优异的性能[7-9]。

国内外不同学者对不同基底表面的不同工艺PVD 涂层进行了大量研究，根据研究发现通过PVD工艺在不同基底表面涂层可以显著增强基底材料的综合性能。Yuan 等[10]将TiAlCrN涂层涂敷在DA718硬质刀具表面，使涂层刀具的使用寿命显著增加，并且在高速切削过程中，表面会生成具有润滑、耐磨效果的摩擦膜，提高刀具寿命。汤成建等[11]在H13 表面涂敷TiAlSiN 涂层，涂层表面主要为(Ti, Al)N 相，其高温氧化后会形成一层Al2O3氧化膜，提高了涂层的抗氧化性能，涂层表面还会形成SiO2降低了表面摩擦因数。张显银等[12]在高速钢表面制备了TiCN、TiAlN 及TiAlCrN 涂层，研究其摩擦特性与切削性能。结果发现TiAlCrN 涂层的磨损形式主要为磨粒磨损、疲劳与氧化，其硬度最高，抗磨损性能也优于TiCN 及TiAlN 涂层。

由于物理气相沉积工艺的效率高、涂层温度低、结合力高等优点，被广泛用于表面涂层强化领域[13]，目前主流的两种工艺分别为多弧离子镀和磁控溅射。多弧离子镀工艺镀膜速率高、绕镀性好，但是涂层表面会出现一些喷溅颗粒的污染和一些大颗粒沉积[14]。磁控溅射涂层表面质量优异，但使靶材会出现刻蚀不均匀、利用率低的问题[15]。

本文采用多弧离子镀与磁控溅射技术，综合两种工艺镀膜速率高、绕镀性好、表面质量优异等优势，对转子钢基材20Cr13 表面进行CrN、TiN、TiAlCrN 3 种PVD 涂层沉积，利用时效处理模拟转子工作温度，通过显微硬度仪、三维形貌仪、纳米划痕仪、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、球盘式摩擦磨损试验机研究3 种涂层的各项物理性能及摩擦磨损性能。

1.1 试验材料

本文使用材料为20Cr13，其化学成分如表1所示。将材料通过线切割加工为25 mm×25 mm×10 mm 的平片试样，通过丙酮清洗表面油污，压缩空气吹干后，利用酒精超声清洗并烘干。利用图1 所示Hauzer Flexicoat 1 000 涂层沉积装置对试样分别进行CrN、TiN、TiAlCrN 3 种PVD 涂层的制备，涂层沉积参数如表2 所示。利用马弗炉，对涂层后试样进行200 ℃，50 h 的时效处理，模拟转子真实工作温度。时效处理后试样如图2 所示。

图1 Hauzer Flexicoat 1000 涂层沉积装置Fig.1 Hauzer Flexicoat 1000 coating depositor

图2 时效处理后不同涂层试样Fig.2 Different coating samples after aging treatment

表1 20Cr13 的化学成分Table 1 Chemical composition of 20Cr13

表2 涂层沉积参数Table 2 Coating deposition parameters

1.2 性能试验

采用HVS100 显微硬度仪（载荷设置0.0981 N，保载15 s）分别对试样表面进行15 个位置的硬度测量，取平均硬度。通过Alicona 三维形貌仪，测量涂层表面粗糙度（Ra）。通过Anton Paar MCT 纳米划痕仪进行划痕试验，载荷设置30 N，加载速率50 mN/s，对表面形貌进行观测，得到涂层边缘破损的临界载荷，表征为薄膜结合力。

图3 示出了球盘式摩擦磨损试验机。如图所示，通过砝码提供载荷，下方转轴转动试样夹具，并通过试样与摩擦球的干摩擦，获得摩擦因数。本文通过摩擦磨损试验机，施加载荷4 N，转速300 r/min，进行15 min 的摩擦磨损试验得到涂层的摩擦因数。采用电子天平测得质量损失（G），利用三维形貌仪测量磨损面积（S），计算得到单位磨损率（G/S），使用ZeissCrossbeam 340 场发射扫描电子显微镜对磨损部位进行微观形貌及元素分析。

图3 球盘式摩擦磨损试验机Fig.3 Ball disc friction and wear tester

2.1 涂层物理性能

图4 示出了涂层显微硬度、表面粗糙度、薄膜结合力的试验结果，CrN 涂层硬度为21 863 N/mm2（2 231 HV），TiN 涂层硬度为34 907 N/mm2（3 562 HV），TiAlCrN 硬度为67 845 N/mm2（6 923 HV），未涂层试样硬度为4 145 N/mm2（423 HV），3 种涂层硬度均远高于基底材料硬度。CrN 涂层表面粗糙度为0.284 μm，TiN 涂层表面粗糙度为0.289 μm，TiAlCrN 涂层表面粗糙度为0.328 μm，未涂层试样表面粗糙度为0.723 μm，根据结果可以看出3 种涂层表面粗糙度均低于未涂层试样， PVD 工艺可以有效改善试样表面质量。图5示出了划痕试验后试样划痕区域的表面形貌（图中Lc为划痕区域出现破损的点），根据形貌结果可以看出，CrN 涂层边缘无明显损伤，末端出现破损；
TiN 涂层在划痕中间部位的划痕边缘处开始出现破损，TiAlCrN 划痕中间部位出现微小裂纹，到划痕即将结束时，开始出现破损。根据薄膜结合力试验结果得到，CrN 涂层薄膜结合力最高，TiN 涂层结合力为3 种涂层中最低的。

图4 涂层性能试验结果Fig.4 Coating performance test results

图5 划痕试验试样表面形貌Fig.5 Surface morphology of scratch test sample

2.2 涂层表面摩擦磨损试验

图6 示出了3 种涂层试样及未涂层试样放大5 倍的表面形貌，通过形貌可以看出，摩擦球和试样接触磨损路径为一个圆环路径。利用ⅠmageJ 软件测得每个试样的磨损数据，其结果如表3 所示。根据表3 所得数据，未涂层试样磨损率最高12.44 mg/mm2，TiAlCrN试样磨损率最低1.68 mg/mm2；
CrN 涂层试样磨损率3.26 mg/mm2，TiN 涂层试样磨损率4.47 mg/mm2。因此，3 种涂层均可以显著提升基底的耐磨损能力，其中TiAlCrN涂层性能尤佳。

图6 各类试样磨损形貌Fig.6 Wear morphology of various samples

表3 各类试样磨损数据Table 3 Wear data of various samples

图7(a)为摩擦磨损试验机系统所测得的摩擦因数曲线，以稳定后的平均值作为试样的摩擦因数，如图7(b)所示，未涂层试样摩擦因数0.640，CrN 涂层试样摩擦因数为0.560，TiN 涂层试样摩擦因数为0.585，TiAlCrN 涂层试样摩擦因数为0.619。结合4 种试样的表面粗糙度，未涂层试样表面质量最差，3 种涂层试样中，CrN 表面质量较优，TiAlCrN 表面质量较差。图8 示出了4 种试样的微观形貌。分别在4 种试样摩擦表面选取均匀位置进行元素分析，结果如图9 和表4 所示，通过微观形貌及元素分析结果可以看出，未涂层试样经摩擦磨损试验后，产生部分的抛光平面以及大面积的磨损堆积，虽然Cr 元素含量很高，但元素中没有测出O 元素，20Cr13 的抛光平面未生成氧化膜；
CrN 涂层表面有明显的涂层破损与涂层堆积，元素分析中包含了Cr 元素与O 元素，在摩擦磨损试验中生成的氧化膜增强了其抗磨损能力；
TiN 涂层试样表面出现了大面积的涂层剥落，剩余涂层中也出现了大量裂纹，仅有少部分涂层堆积，根据元素分析，没有Ti 元素，表面涂层已经剥落，但是在涂层剥落后，基底表面生成了Cr 和O 元素构成的氧化膜；
TiAlCrN 涂层表面涂层没有剥落与裂纹，只有部分的涂层堆积，出现了大面积的氧化膜，根据元素分析，表面氧化膜组成主要为O、Cr、Ti 3 种元素，Al 元素生成的氧化膜在涂层最外表面，先被磨损，因此表面元素仅含微量Al 元素。结合表面粗糙度和摩擦因数测量结果，涂层表面摩擦后会出现抛光作用，生成致密的氧化膜，提高试样表面质量与耐摩擦磨损性能。

图7 各类试样摩擦因数Fig.7 Friction coefficient of various samples

图8 不同试样微观形貌Fig.8 Micromorphology of different samples

图9 不同试样元素分析Fig.9 Element analysis of different samples

表4 不同试样元素含量分析Table 4 Element content analysis of different samples

本文通过多弧离子镀与磁控溅射结合工艺所制备的TiAlCrN 涂层硬度达到67 845 N/mm2，表面粗糙度Ra 为0.723 μm，摩擦因数为0.619，而多弧离子镀与磁控溅射单一工艺所制备出的TiAlCrN 耐磨涂层，其硬度约9 800～39 200 N/mm2，薄膜结合力均小于30 N，摩擦因数约0.7～1.0，相比较下通过结合工艺所制备的涂层表面无明显大液滴，表面质量较好，薄膜结合力较高[16-20]。与激光熔覆工艺所制备的耐磨涂层相比，本文制备的涂层更薄仅有3 μm 左右，对零件尺寸影响较小，而激光熔覆涂层厚度大于500 μm且需要通过滚压等工艺对涂层表面进行二次处理。通过多弧离子镀与磁控溅射结合工艺制备涂层更加方便，而且价格较低，更适用于转子表面涂层进行强化[21]。

（1）性能表征试验结果表明，3 种涂层对于基底都有显著的性能提升作用，其中TiAlCrN 涂层硬度较高(67 845 N/mm2)，但其表面粗糙度Ra较高(0.328 μm)；
CrN 涂层硬度较低(21 863 N/mm2)，薄膜结合力较高(30 N)，表面粗糙度Ra最低(0.284 μm)；
TiN 涂层薄膜结合力较差(18 N)。CrN 表面质量较佳，TiAlCrN硬度提升较高。CrN 涂层摩擦因数较低(0.560)，TiAlCrN 涂层摩擦因数较高(0.619)，摩擦系数结果与表面粗糙度结果相对应，3 种涂层均可以提高基底减摩性能，其中CrN 提升最高。

（2）通过涂层表面摩擦磨损试验结果计算得出，CrN 涂层磨损率为3.26 mg/mm2，TiN 涂层磨损率为4.47 mg/mm2，TiAlCrN 涂层磨损率为1.68 mg/mm2，未涂层试样磨损率为12.44 mg/mm2。因此，涂层后试样可以显著提升基底耐磨损性能，其中CrN 与TiAlCrN 表面与氧气接触，在摩擦作用下生成的氧化膜进一步增强了试样的耐磨损性能。由于TiAlCrN硬度较高，其耐磨性最佳，而TiN 薄膜结合力低，在摩擦磨损试验中，表面涂层大面积磨损，裂纹。TiAlCrN 涂层为3 种涂层中压缩机转子表面耐摩擦磨损涂层的优化选择。

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