液壓閥芯表面制備Cr/CrN復合涂層及其可靠性研究

馮 森，劉 威，蹤雪梅，楊夢夢，郭 飛

(1.江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；2.高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004)

引言

液壓系統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的可靠性與耐久性的需要，閥體與閥芯的機械性能強化技術也在不斷進步。目前對閥芯普遍采用的強化手段為電鍍硬鉻，這是為了提高閥芯表面的耐磨性能，其強化效果能達到滲碳淬火、碳氮共滲處理的2倍。但是鍍鉻技術依然存在著不足，主要表現為：由于電流的“尖端效應”，會在閥芯乍槽、缺口及棱角產生難以去除的毛刺導致卡閥故障；并且表面易出現針孔、燒焦、麻點等缺陷[1]；同時，電鍍工藝還存在著能源消耗大、環境污染嚴重問題。

近年來，隨著金屬表面強化技術的進步，開發能夠取代閥芯電鍍工藝的新表面強化技術逐漸成為國內外的研究熱點。TAO等[2]通過激光表面改性技術(LST)在閥芯表面制備出微織構，大大增強了閥芯表面的總體承載能力，降低了綜合磨擦作用，提高了閥芯動壓潤滑性能。劉中華[3]采用超音速火焰噴涂(HVOF)技術，在工業汽輪機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，增強了閥芯的摩擦磨損性能。蔡錚等[4]利用QPQ鹽浴復合處理技術對多路閥閥芯進行了表面強化，變鍍為滲，有效解決了鍍鉻閥芯崩口和毛刺造成的卡閥故障，并增強了閥芯的疲勞強度。汪洪波等[5]通過非平衡磁控濺射技術在液壓桿件表面沉積制備了6 μm左右的Cr-CrN多層膜，顯著延長了液壓桿件的使用壽命。電弧離子鍍技術作為物理氣相沉積技術的一種，能夠在金屬表面高效制備保護涂層，如CrN、TiN、(Ti,Al)N、Cr/CrN等[6-8]。本研究采用電弧離子鍍技術在某型閥芯表面制備了Cr/CrN復合涂層，對涂層的組織、機械性能、進行檢測、分析并進行臺架試驗，提出一種取代傳統電鍍技術的閥芯表面強化技術。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 涂層制備

利用真空離子鍍設備UPM-E對試樣進行Cr/CrN復合涂層的制備，基體為φ30×7 mm的圓片和某型閥芯，材質均為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，再利用鼓風干燥箱烘干后放入真空工作臺備用。鍍膜時，首先對真空室抽真空，達到10-9MPa 的本底真空后，再通入氬氣對基體進行離子活比，活化功率為50 W，氬氣流量30 sccm，活化時間3 min。離子活化結束后，進行中間層(Cr層)的制備，工藝參數為基體偏壓-200 V，弧電流60 A，時間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的差異，保證CrN涂層與基體間的良好結合。最后進行CrN涂層的制備，工藝參數為氮氣壓強3×10-7MPa，基體偏壓-400 V，弧電流75 A，時間90 min。

1.2 測試方法

利用X射線衍射儀對涂層進行物相分析；利用HX-1型壓痕儀測試了鍍膜試樣以及電鍍試樣的顯微硬度，采用WS-2005型自動劃痕儀測試了鍍膜試樣和電鍍對比試樣的結合強度；利用摩擦磨損試驗機對鍍膜圓片試樣與電鍍試樣進行油摩擦條件下的摩擦磨損試驗，對磨材料為閥體材料HT300，摩擦方式為銷-盤式，通過白光共聚焦顯微鏡觀測涂層及電鍍Cr層的磨痕形貌，并分別測試摩擦試驗前后摩擦副的重量；依據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驗臺上，分別進行100萬次換向試驗，對試驗前后閥體中立位的內泄漏量進行測試分析，并作為關鍵評價指標，配合閥芯與閥孔尺寸變化評估閥芯的可靠性和使用壽命[9]。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

圖1為鍍膜后試樣表面的X射線衍射圖譜，從圖中可以發現膜層主要出現4個明顯的衍射峰，分別對應于CrN相的(111)、(200)和(220)面，以及Cr相的(200)面，說明了所鍍制的復合涂層表面層主要由面心立方結構的CrN相和少量的Cr組成。同時從圖中可以看出CrN相的(200)衍射峰的強度最大，而(111)和(220)方向的衍射峰強度相對較弱，證明CrN相在(200)方向上存在明顯的擇優取向[10]。

圖1 涂層的X射線衍射圖譜

2.2 硬度與結合強度分析

對Cr/CrN復合涂層與Cr電鍍層的硬度和結合力分別進行了測試，測試結果如圖2所示。從圖中可以看出鍍膜試樣的硬度達到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。同時圖中給出了Cr/CrN涂層與Cr電鍍層的膜基結合力的比較，由于液壓閥芯的實際工況，保證涂層與基體之間的結合強度至關重要。由于單一CrN涂層的硬度與彈性模量遠遠大于1144基體，因此通常沉積較軟的Cr中間層以緩和基體與CrN涂層的力學性能差異，保證足夠的結合強度，并且Cr過渡層能夠通過剪切應變，吸收摩擦能量以提高結合強度[11]。從結果中可以發現，Cr/CrN涂層的結合力略大于電鍍試樣，且兩種試樣的結合力均大于30 N，說明二者均可以滿足工業應用的要求[12]。

圖2 Cr/CrN涂層與電鍍Cr層的硬度和結合力

2.3 摩擦磨損試驗

利用摩擦磨損試驗機對油摩擦條件下Cr/CrN涂層與Cr電鍍層的摩擦性能進行測試，摩擦系數如圖3所示。從圖中可以看出電鍍試樣的摩擦系數為0.34，而Cr/CrN復合涂層的摩擦系數在整個摩擦過程中穩定在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，能夠提供更強的抗摩擦性能。為了進一步觀察試樣經過摩擦磨損后的表面形貌，采用白光共聚焦顯微鏡，對試樣的磨痕形貌進行了觀測，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涂層表現出更深的磨痕。由于磨屑作用，對較軟的電鍍層形成切削磨損，導致對磨區域擴大，出現較寬的磨痕表面和很深的溝槽，并在磨痕兩側形成磨屑堆積[13]。從圖5中可以明顯發現鍍膜試樣的磨痕深度和寬度小于電鍍試樣，磨痕輪廓較淺，磨損程度較輕，沒有出現磨屑堆積，這一結果與摩擦系數結果對應。圖6所示為2對摩擦副經過摩擦試驗后的失重量，從圖中可以看出Cr/CrN復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，而且涂層對應的摩擦副(材質為閥體材料HT300)失重量僅為電鍍試樣對磨副的1/6。這一結果說明與電鍍試樣相比，涂層在與閥體材料的對磨中表現出更好的摩擦性能，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

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 對磨副失重量

2.4 臺架試驗

將鍍膜閥芯與電鍍Cr閥芯分為兩組，對稱地安裝在某型液壓閥內，利用多路閥實驗臺分別進行100萬次換向考核。試驗完成后，對裝有不同閥芯的中立位內泄漏量進行了測試，并比較其試驗前后內泄量的平均變化量，結果如表1所示。從表中可以發現，裝配電鍍閥芯的兩聯中立位內泄量顯著增大，平均增長率達到84.34%，已經超過使用壽命，無法繼續使用。但裝配鍍膜閥芯的兩聯中立位內泄量變化較小，平均增長率僅為4.95%，依然滿足使用要求，可以繼續使用，這一結果證明鍍膜閥芯能夠顯著提升液壓閥的使用壽命[14]。

表1 換向試驗前后閥體內泄量及變化率

通過氣動量儀以及千分尺分別對閥孔與閥芯尺寸進行了測量，計算試驗后閥芯與閥孔的尺寸平均變化量，測試結果如圖7所示。從圖中可以看出，經過一百萬次換向試驗后，鍍膜閥芯配合的閥體尺寸變化量僅為電鍍閥芯的54%，同時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于電鍍閥芯，這是由于鍍膜后閥芯表面硬度大、摩擦系數低，具有更強的耐摩擦性能，能夠取代傳統電鍍加工方式。

圖7 換向試驗后平均尺寸變化

3 結論

對制備的Cr/CrN復合涂層和電鍍Cr層的機械性能測試結果表明，電弧離子鍍膜制備的Cr/CrN復合涂層的硬度遠大于電鍍Cr層，并且涂層與基體的結合力滿足使用要求。摩擦磨損測試結果表明Cr/CrN復合涂層具有更低的摩擦系數，更強的抗摩擦性能。臺架試驗結果證明Cr/CrN復合涂層強化的閥芯滿足實際工作要求，經過100萬次換向試驗，未出現卡閥等故障，同時內泄量與尺寸變化結果表明Cr/CrN復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代替電鍍技術對液壓閥芯進行表面強化，能夠有效增強閥芯的摩擦性能，提高液壓閥的使用壽命，對于提升液壓行業的可靠性具有重要意義，在環境保護方面更具有現實意義。