液壓閥芯表面制備Cr/CrN復(fù)合涂層及其可靠性研究

馮 森，劉 威，蹤雪梅，楊夢(mèng)夢(mèng)，郭 飛

(1.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；2.高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004)

引言

液壓系統(tǒng)中閥體與閥芯的配合是一套典型的摩擦副，為了滿足液壓閥技術(shù)的可靠性與耐久性的需要，閥體與閥芯的機(jī)械性能強(qiáng)化技術(shù)也在不斷進(jìn)步。目前對(duì)閥芯普遍采用的強(qiáng)化手段為電鍍硬鉻，這是為了提高閥芯表面的耐磨性能，其強(qiáng)化效果能達(dá)到滲碳淬火、碳氮共滲處理的2倍。但是鍍鉻技術(shù)依然存在著不足，主要表現(xiàn)為：由于電流的“尖端效應(yīng)”，會(huì)在閥芯乍槽、缺口及棱角產(chǎn)生難以去除的毛刺導(dǎo)致卡閥故障；并且表面易出現(xiàn)針孔、燒焦、麻點(diǎn)等缺陷[1]；同時(shí)，電鍍工藝還存在著能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重問題。

近年來，隨著金屬表面強(qiáng)化技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)能夠取代閥芯電鍍工藝的新表面強(qiáng)化技術(shù)逐漸成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。TAO等[2]通過激光表面改性技術(shù)(LST)在閥芯表面制備出微織構(gòu)，大大增強(qiáng)了閥芯表面的總體承載能力，降低了綜合磨擦作用，提高了閥芯動(dòng)壓潤(rùn)滑性能。劉中華[3]采用超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)，在工業(yè)汽輪機(jī)閥芯表面噴涂制備了NiCr-Cr3C2金屬陶瓷涂層，涂層的顯微硬度比基體材料提高了3倍多，增強(qiáng)了閥芯的摩擦磨損性能。蔡錚等[4]利用QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)對(duì)多路閥閥芯進(jìn)行了表面強(qiáng)化，變鍍?yōu)闈B，有效解決了鍍鉻閥芯崩口和毛刺造成的卡閥故障，并增強(qiáng)了閥芯的疲勞強(qiáng)度。汪洪波等[5]通過非平衡磁控濺射技術(shù)在液壓桿件表面沉積制備了6 μm左右的Cr-CrN多層膜，顯著延長(zhǎng)了液壓桿件的使用壽命。電弧離子鍍技術(shù)作為物理氣相沉積技術(shù)的一種，能夠在金屬表面高效制備保護(hù)涂層，如CrN、TiN、(Ti,Al)N、Cr/CrN等[6-8]。本研究采用電弧離子鍍技術(shù)在某型閥芯表面制備了Cr/CrN復(fù)合涂層，對(duì)涂層的組織、機(jī)械性能、進(jìn)行檢測(cè)、分析并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，提出一種取代傳統(tǒng)電鍍技術(shù)的閥芯表面強(qiáng)化技術(shù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 涂層制備

利用真空離子鍍?cè)O(shè)備UPM-E對(duì)試樣進(jìn)行Cr/CrN復(fù)合涂層的制備，基體為φ30×7 mm的圓片和某型閥芯，材質(zhì)均為1144鋼。靶材為純度大于99.99%的鉻靶。鍍膜前，將基體依次在丙酮和酒精溶液中超聲清洗10 min，再利用鼓風(fēng)干燥箱烘干后放入真空工作臺(tái)備用。鍍膜時(shí)，首先對(duì)真空室抽真空，達(dá)到10-9MPa 的本底真空后，再通入氬氣對(duì)基體進(jìn)行離子活比，活化功率為50 W，氬氣流量30 sccm，活化時(shí)間3 min。離子活化結(jié)束后，進(jìn)行中間層(Cr層)的制備，工藝參數(shù)為基體偏壓-200 V，弧電流60 A，時(shí)間30 min，制備過渡層的目的在于緩解CrN和基材之間硬度與熱膨脹系數(shù)的差異，保證CrN涂層與基體間的良好結(jié)合。最后進(jìn)行CrN涂層的制備，工藝參數(shù)為氮?dú)鈮簭?qiáng)3×10-7MPa，基體偏壓-400 V，弧電流75 A，時(shí)間90 min。

1.2 測(cè)試方法

利用X射線衍射儀對(duì)涂層進(jìn)行物相分析；利用HX-1型壓痕儀測(cè)試了鍍膜試樣以及電鍍?cè)嚇拥娘@微硬度，采用WS-2005型自動(dòng)劃痕儀測(cè)試了鍍膜試樣和電鍍對(duì)比試樣的結(jié)合強(qiáng)度；利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)鍍膜圓片試樣與電鍍?cè)嚇舆M(jìn)行油摩擦條件下的摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨材料為閥體材料HT300，摩擦方式為銷-盤式，通過白光共聚焦顯微鏡觀測(cè)涂層及電鍍Cr層的磨痕形貌，并分別測(cè)試摩擦試驗(yàn)前后摩擦副的重量；依據(jù)JB/T 8729—2013《液壓多路換向閥》和Q/XGJY 15034—2016《液壓多路換向閥試驗(yàn)方法》，將裝配鍍膜閥芯和電鍍閥芯的某型液壓閥安裝在多路閥實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，分別進(jìn)行100萬次換向試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)前后閥體中立位的內(nèi)泄漏量進(jìn)行測(cè)試分析，并作為關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，配合閥芯與閥孔尺寸變化評(píng)估閥芯的可靠性和使用壽命[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1為鍍膜后試樣表面的X射線衍射圖譜，從圖中可以發(fā)現(xiàn)膜層主要出現(xiàn)4個(gè)明顯的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于CrN相的(111)、(200)和(220)面，以及Cr相的(200)面，說明了所鍍制的復(fù)合涂層表面層主要由面心立方結(jié)構(gòu)的CrN相和少量的Cr組成。同時(shí)從圖中可以看出CrN相的(200)衍射峰的強(qiáng)度最大，而(111)和(220)方向的衍射峰強(qiáng)度相對(duì)較弱，證明CrN相在(200)方向上存在明顯的擇優(yōu)取向[10]。

圖1 涂層的X射線衍射圖譜

2.2 硬度與結(jié)合強(qiáng)度分析

對(duì)Cr/CrN復(fù)合涂層與Cr電鍍層的硬度和結(jié)合力分別進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出鍍膜試樣的硬度達(dá)到1265HV0.1，為電鍍Cr試樣硬度的1.9倍，Cr/CrN涂層的高硬度使其具有更好的抗摩擦性能。同時(shí)圖中給出了Cr/CrN涂層與Cr電鍍層的膜基結(jié)合力的比較，由于液壓閥芯的實(shí)際工況，保證涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度至關(guān)重要。由于單一CrN涂層的硬度與彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1144基體，因此通常沉積較軟的Cr中間層以緩和基體與CrN涂層的力學(xué)性能差異，保證足夠的結(jié)合強(qiáng)度，并且Cr過渡層能夠通過剪切應(yīng)變，吸收摩擦能量以提高結(jié)合強(qiáng)度[11]。從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，Cr/CrN涂層的結(jié)合力略大于電鍍?cè)嚇樱覂煞N試樣的結(jié)合力均大于30 N，說明二者均可以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求[12]。

圖2 Cr/CrN涂層與電鍍Cr層的硬度和結(jié)合力

2.3 摩擦磨損試驗(yàn)

利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)油摩擦條件下Cr/CrN涂層與Cr電鍍層的摩擦性能進(jìn)行測(cè)試，摩擦系數(shù)如圖3所示。從圖中可以看出電鍍?cè)嚇拥哪Σ料禂?shù)為0.34，而Cr/CrN復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)在整個(gè)摩擦過程中穩(wěn)定在0.24左右，降低了29%，表明所制備的Cr/CrN涂層具有更低的摩擦系數(shù)，能夠提供更強(qiáng)的抗摩擦性能。為了進(jìn)一步觀察試樣經(jīng)過摩擦磨損后的表面形貌，采用白光共聚焦顯微鏡，對(duì)試樣的磨痕形貌進(jìn)行了觀測(cè)，磨痕形貌如圖4所示，磨痕輪廓圖如圖5所示。從磨痕形貌中可以看出Cr電鍍層相比于Cr/CrN涂層表現(xiàn)出更深的磨痕。由于磨屑作用，對(duì)較軟的電鍍層形成切削磨損，導(dǎo)致對(duì)磨區(qū)域擴(kuò)大，出現(xiàn)較寬的磨痕表面和很深的溝槽，并在磨痕兩側(cè)形成磨屑堆積[13]。從圖5中可以明顯發(fā)現(xiàn)鍍膜試樣的磨痕深度和寬度小于電鍍?cè)嚇?，磨痕輪廓較淺，磨損程度較輕，沒有出現(xiàn)磨屑堆積，這一結(jié)果與摩擦系數(shù)結(jié)果對(duì)應(yīng)。圖6所示為2對(duì)摩擦副經(jīng)過摩擦試驗(yàn)后的失重量，從圖中可以看出Cr/CrN復(fù)合涂層的磨損失重量為0.2 mg，僅為電鍍層失重量(1 mg)的1/5，而且涂層對(duì)應(yīng)的摩擦副(材質(zhì)為閥體材料HT300)失重量?jī)H為電鍍?cè)嚇訉?duì)磨副的1/6。這一結(jié)果說明與電鍍?cè)嚇酉啾?，涂層在與閥體材料的對(duì)磨中表現(xiàn)出更好的摩擦性能，并且能夠降低閥體材料的磨損量。

圖3 Cr/CrN 涂層與電鍍Cr試樣的摩擦系數(shù)

圖4 試樣的磨痕形貌

圖5 Cr/CrN 涂層與電鍍Cr試樣的磨痕輪廓圖

圖6 對(duì)磨副失重量

2.4 臺(tái)架試驗(yàn)

將鍍膜閥芯與電鍍Cr閥芯分為兩組，對(duì)稱地安裝在某型液壓閥內(nèi)，利用多路閥實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別進(jìn)行100萬次換向考核。試驗(yàn)完成后，對(duì)裝有不同閥芯的中立位內(nèi)泄漏量進(jìn)行了測(cè)試，并比較其試驗(yàn)前后內(nèi)泄量的平均變化量，結(jié)果如表1所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，裝配電鍍閥芯的兩聯(lián)中立位內(nèi)泄量顯著增大，平均增長(zhǎng)率達(dá)到84.34%，已經(jīng)超過使用壽命，無法繼續(xù)使用。但裝配鍍膜閥芯的兩聯(lián)中立位內(nèi)泄量變化較小，平均增長(zhǎng)率僅為4.95%，依然滿足使用要求，可以繼續(xù)使用，這一結(jié)果證明鍍膜閥芯能夠顯著提升液壓閥的使用壽命[14]。

表1 換向試驗(yàn)前后閥體內(nèi)泄量及變化率

通過氣動(dòng)量?jī)x以及千分尺分別對(duì)閥孔與閥芯尺寸進(jìn)行了測(cè)量，計(jì)算試驗(yàn)后閥芯與閥孔的尺寸平均變化量，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，經(jīng)過一百萬次換向試驗(yàn)后，鍍膜閥芯配合的閥體尺寸變化量?jī)H為電鍍閥芯的54%，同時(shí)鍍膜閥芯的外徑磨損為電鍍閥芯的75%，說明鍍膜閥芯與閥體的配合優(yōu)于電鍍閥芯，這是由于鍍膜后閥芯表面硬度大、摩擦系數(shù)低，具有更強(qiáng)的耐摩擦性能，能夠取代傳統(tǒng)電鍍加工方式。

圖7 換向試驗(yàn)后平均尺寸變化

3 結(jié)論

對(duì)制備的Cr/CrN復(fù)合涂層和電鍍Cr層的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果表明，電弧離子鍍膜制備的Cr/CrN復(fù)合涂層的硬度遠(yuǎn)大于電鍍Cr層，并且涂層與基體的結(jié)合力滿足使用要求。摩擦磨損測(cè)試結(jié)果表明Cr/CrN復(fù)合涂層具有更低的摩擦系數(shù)，更強(qiáng)的抗摩擦性能。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果證明Cr/CrN復(fù)合涂層強(qiáng)化的閥芯滿足實(shí)際工作要求，經(jīng)過100萬次換向試驗(yàn)，未出現(xiàn)卡閥等故障，同時(shí)內(nèi)泄量與尺寸變化結(jié)果表明Cr/CrN復(fù)合涂層能夠有效提升液壓閥的使用壽命。因此，利用電弧離子鍍技術(shù)代替電鍍技術(shù)對(duì)液壓閥芯進(jìn)行表面強(qiáng)化，能夠有效增強(qiáng)閥芯的摩擦性能，提高液壓閥的使用壽命，對(duì)于提升液壓行業(yè)的可靠性具有重要意義，在環(huán)境保護(hù)方面更具有現(xiàn)實(shí)意義。