【摘 要】
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气门座圈为发动机的重要零部件,它镶嵌在气缸盖与气门接触的位置上,配合气门形成密闭空间保护缸盖。气门座圈的性能严重影响发动机输出功率和使用寿命。近年来随着工业化程度不断提高,气门座圈所处工况愈加恶劣。每年全世界由于磨损、高温氧化而损耗的气门座圈量约占该年度钢总产量的10%;据统计因气门座圈失效而导致的发动机故障不安全事故逐年递增,因此对气门座圈进行表面改性研究十分必要。本文采用多弧离子镀技术在蠕墨铸
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气门座圈为发动机的重要零部件,它镶嵌在气缸盖与气门接触的位置上,配合气门形成密闭空间保护缸盖。气门座圈的性能严重影响发动机输出功率和使用寿命。近年来随着工业化程度不断提高,气门座圈所处工况愈加恶劣。每年全世界由于磨损、高温氧化而损耗的气门座圈量约占该年度钢总产量的10%;据统计因气门座圈失效而导致的发动机故障不安全事故逐年递增,因此对气门座圈进行表面改性研究十分必要。本文采用多弧离子镀技术在蠕墨铸铁气门座圈材料表面沉积CrAlTiN镀层,并系统研究Al和Ti元素对镀层组织及力学性能、摩擦学性能、高温氧化性能的影响。本文采用扫描电子显微电镜（SEM）、白光干涉仪对镀层表面组织及三维立体形貌进行表征;采用透射电子显微镜（TEM）对镀层内部微观结构进行分析观察;采用（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）等现代分析技术对镀层组织结构及相成份进行检测,完成了镀层定性、定量分析;采用纳米压痕仪对镀层纳米硬度和弹性模量进行测试;采用高温摩擦磨损试验机、镀层附着力自动划痕仪对镀层摩擦系数及膜基结合力进行测定;采用高温氧化炉进行高温氧化实验。研究结果表明:（1）采用多弧离子镀技术制备的CrN镀层。其晶粒尺寸和表面粗糙度随Cr靶电流增大而逐渐长大,镀层生长方式为柱状生长,当Cr靶电流50A时,镀层表面组织均匀,粗糙度最小为18.46nm;镀层是由Cr单质、典型的NaCl面心立方结构的CrN和六方结构的Cr2N相;镀层连续致密,分为基体、过渡层Cr和工作层CrN;镀层膜基结合力、纳米硬度、杨氏模量随Cr靶电流上升先增大后减小;在Cr靶电流65A时,镀层结合力有最大值49.2N,摩擦系数为0.5,纳米硬度最大值为18.844GPa,杨氏模量为254.289GPa;镀层氧化增重曲线符合幂指数函数,氧化后的主要产物Cr2O3、Fe2O3;镀层0-450h氧化速率为 0.0049 mg·cm-2·h-1,450-500h 氧化速率为 0.0021mg·cm-2·h-1。CrN 镀层耐磨性和抗氧化性不足。（2）采用多弧离子镀技术制备的CrAlN镀层。其晶粒尺寸、致密度和表面粗糙度与Al靶电流成正比,当Al靶电流60A时,镀层表面晶粒尺寸均匀,粗糙度为1.139μm,镀层厚度为2.81μm;镀层由CrN、AlN、CrAlN、Al2O3和Cr2O3相,随Al靶电流增大,CrN峰强逐渐减弱;镀层连续致密,分层明显,规律性较强;膜基结合力随Al靶电流增大先增大后减小,在Al靶电流60A时,膜基结合力有最大值54.1N,摩擦系数为0.48,磨损机制为磨粒磨损;镀层纳米硬度、杨氏模量与Al靶电流成正比,当Al靶电流65A时,纳米硬度和杨氏模量可达最大分别为22.1116GPa和320.1217GPa;氧化增重曲线符合幂指数函数,氧化后的主要产物Cr2O3、Al2O3,氧化0-450h镀层氧化速率0.003 mg·cm-2·h-1,氧化450-500h镀层氧化速率0.000064mg·cm-2·h-1。掺Al后显著提高CrN镀层的抗氧化性能,但其摩擦系数依然较大。（3）采用多弧离子镀制备的CrAlTiN的镀层。其晶粒尺寸和表面粗糙度随Ti靶电流增大而增加,当Ti靶电流65A时,镀层组织较好,致密度较高,表面粗糙度为1.25μm,镀层厚度为3.41μm;镀层主由CrN、AlN、TiN、CrAlTiN、Cr2O3和Al2O3相;镀层规律性较强,镀层层状与岛状交替存在,有一定程度上的晶格畸变;镀层膜基结合力、纳米硬度和杨氏模量随Ti靶电流上升先增大后减小,当Ti靶电流65A时,结合力最大为65.1N,纳米硬度和杨氏模量为23.477GPa和331.141GPa;镀层摩擦系数随Ti靶电流上升先减小后增大,当Ti靶电流65A时,镀层摩擦系数最小为0.38,其磨损机制为磨粒磨损;镀层氧化增重曲线符合幂指数函数,氧化后的主要产物Cr2O3、Al2O3、TiO,氧化0-450h镀层氧化速率为 0.0027 mg·cm-2·h-1,450-500h 镀层氧化速率为-0.00005 mg·cm-2·h-1。掺Ti后CrAlN镀层的耐磨性明显改善,硬度及结合力显著提高。
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