【韓】　J.U.Ahn　S.M.Choi

?

【韓】J.U.AhnS.M.Choi

為實(shí)現(xiàn)低摩擦和高燃油效率，大多數(shù)提升式配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用類金剛石碳(DLC)涂層挺桿。但是，由于低黏度機(jī)油的使用和更高的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率要求，使得摩擦學(xué)環(huán)境變得更為嚴(yán)苛，因而對(duì)涂層的堅(jiān)固耐用性提出了更高的要求。為獲得較高的涂層效率并提高耐磨性，利用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法開發(fā)了添加5%～9%Si的Si-DLC涂層挺桿，盡管Si-DLC硬度和粘著力等機(jī)械性能有所下降，但其熱穩(wěn)定性和耐磨性比DLC涂層有極大提高。Si抑制了DLC涂層的石墨化，涂層表面的薄層氧化硅起到了阻礙氧化或快速導(dǎo)熱的作用。

類金剛石碳耐磨性穩(wěn)定性涂層

0　前言

類金剛石碳(DLC)涂層是1種具有低摩擦、高硬度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性好的亞穩(wěn)態(tài)非定形碳。在汽車工業(yè)中，DLC涂層有望提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦學(xué)特性和降低摩擦損失。尤其是在提升式配氣機(jī)構(gòu)中，DLC涂層挺桿已在降低挺桿與凸輪軸的摩擦和提高燃油效率方面發(fā)揮了作用。[1-5]

然而，隨著小型化發(fā)動(dòng)機(jī)(汽油直噴和渦輪汽油直噴)及含摩擦改進(jìn)劑(MoDTC)的低黏度機(jī)油使用量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦學(xué)環(huán)境變得越加嚴(yán)峻。因此，對(duì)涂層堅(jiān)固耐用性的要求更高。

事實(shí)上，DLC涂層對(duì)工作溫度有一定的限度，工作溫度超過300℃，涂層的機(jī)械性能就會(huì)退化，涂層中的氫分解會(huì)造成DLC涂層的石墨化[3-4]。

眾所周知，在DLC中添加金屬元素(W、Ti、Cr、Ta、Zr和Mo等)或非金屬元素(Si、N、O和F等)能夠提高涂層的熱穩(wěn)定性和粘著力。添加的元素會(huì)形成納米級(jí)結(jié)晶體或碳化物，并能增強(qiáng)與氫的粘合，從而提高DLC的熱穩(wěn)定性[7-10]。

本研究旨在通過添加某些能保持低摩擦的元素(Cr、Ti和Si)，來提高DLC涂層的熱穩(wěn)定性和耐磨性。

1　添加元素的選擇

采用直流磁控濺射噴鍍，在無涂層挺桿上分別噴鍍將Cr、 Ti、 SiC 和石墨靶(碳氮共滲)來制備改性DLC。夾層元素為Cr，改性DLC的機(jī)械性能見表1。

與無涂層挺桿相比，有DLC涂層挺桿能夠使挺桿與凸輪軸之間的摩擦降低約30%～40%。本研究的目標(biāo)是要使改性DLC在不改變其低摩擦特性的情況下提高熱穩(wěn)定性和耐磨性。

表1　改性DLC的機(jī)械性能

采用電機(jī)拖動(dòng)的氣缸蓋試驗(yàn)臺(tái)來評(píng)估摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如圖1所示，所用試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格見表2。

圖1　電機(jī)拖動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋試驗(yàn)臺(tái)

項(xiàng)目參數(shù)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)直列4缸2.0L多點(diǎn)電噴配氣機(jī)構(gòu)類型機(jī)械式氣門間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)(MLA)運(yùn)行方式電機(jī)拖動(dòng)磨合運(yùn)轉(zhuǎn)/(r·min-1)600～6000機(jī)油和冷卻水溫度/℃90機(jī)油壓力/MPa0.1試驗(yàn)時(shí)間/h20

圖2所示為在不同轉(zhuǎn)速下有涂層挺桿比無涂層挺桿摩擦扭矩減小的情況。轉(zhuǎn)速低于2 000 r/min時(shí)，所有的改性DLC比DLC降低摩擦約20%～26%。隨著轉(zhuǎn)速提高，Cr-DLC和 Ti-DLC的摩擦降幅有所下降，而Si-DLC的摩擦扭矩與DLC的相當(dāng)。為了使燃油效率更高，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)所有的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)降低摩擦。Si就是非常重要的1種元素，有報(bào)道稱，Si因其自身硬度低，以及能在涂層表面形成Si-OH，因而能夠降低DLC的摩擦[3]。

圖2　摩擦扭矩減小的結(jié)果

試驗(yàn)中，Si-DLC被驗(yàn)證為1種低摩擦涂層，需要通過控制Si的含量且不改變其低摩擦特性的情況下，來提高Si-DLC的熱穩(wěn)定性和耐磨性。

2　Si-DLC的熱穩(wěn)定性

利用輝光放電等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PACVD)使C2H2、六甲基二硅醚(HMDSO)、 Ar和H2混合，制備Si-DLC涂層，夾層元素為Cr，緩沖層為碳化鎢(WC)。涂層中的Si含量通過改變HMDSO的流量來控制。

表3制備了3種Si-DLC涂層。隨著涂層中Si含量增多，Si-DLC涂層的硬度和粘著力下降。由此可見是Si原子限制了DLC涂層中的強(qiáng)勁交聯(lián)粘結(jié)。如果Si含量大于11%，可以推定Si-DLC的硬度較低。為評(píng)估Si-DLC和DLC的熱穩(wěn)定性，將涂層在空氣中以350 ℃、400 ℃和450 ℃進(jìn)行20 h退火處理。使用拉曼光譜法進(jìn)行諸如涂層石墨化或氧化的結(jié)構(gòu)分析。

表3　PACVD Si-DLC涂層的機(jī)械性能

如圖3所示，在沉積狀態(tài)下的DLC涂層顯示了典型的類金剛石結(jié)構(gòu)，峰值中心在1539 cm-1(G波段) 和1373 cm-1(D波段)。然而，在400℃下退火的DLC涂層，拉曼光譜分離成2個(gè)離散峰值，這與被稱為石墨化的典型的石墨碳完全相同。Si含量為3%的Si-DLC直到400℃仍保持原始的拉曼光譜，但在450℃時(shí)出現(xiàn)峰值分離。在500℃時(shí)Si含量為5%的Si-DLC的原始拉曼光譜略有變化。

(a)

(b)

(c)圖3　DLC和Si-DLC涂層的拉曼光譜

隨著Si含量的增加，退火并沒有對(duì)Si-DLC的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響?？梢詮膱D4中所示的表面顏色變化和涂層厚度變化得到證實(shí)。

將Si原子濃度為7%的Si-DLC涂層通過放電發(fā)射光譜法測得，在挺桿緊接涂層表面 (約200 nm處) ， Si含量和O含量較高，C含量較低。預(yù)計(jì)在空氣中熱退火后，氧化硅層能起到阻礙氫和碳溢出的作用。隨著涂層薄膜上C含量的增加，會(huì)有更多的Si與碳粘結(jié)，并形成更多的sp3連接碳，這樣就能使熱退火后的結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定[6-7]。

(a)

(b)圖4　400℃退火后DLC和Si含量5%的Si-DLC的圖像

因此，Si-DLC熱穩(wěn)定性的提高與Si含量成正比，但由于涂層硬度低，需要優(yōu)化Si的含量。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Si含量為5%～9%的Si-DLC具有最佳的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能。

3　Si-DLC的耐磨性

為了比較Si-DLC和DLC的耐磨性，采用圖1所示的電機(jī)拖動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了多次耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用2種為降低摩擦而添加二烷基二硫代甲酸鉬(MoDTC)的5W20 ILSAC GF4 和5W30 ACEA A5發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油，試驗(yàn)分別安裝1組Si-DLC涂層挺桿和1組DLC涂層挺桿。

圖5所示為使用5W20機(jī)油時(shí)，Si含量7%的Si-DLC 涂層挺桿和DLC涂層挺桿的試驗(yàn)結(jié)果。DLC涂層挺桿中心出現(xiàn)了部分磨損，而Si-DLC涂層挺桿未出現(xiàn)磨損。

圖5　　　　發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋拖動(dòng)試驗(yàn)后DLC　　　和Si-DLC的磨損結(jié)果

圖6為試驗(yàn)結(jié)果匯總。使用低黏度5W20機(jī)油時(shí)DLC出現(xiàn)磨損約為72%，但是，隨著Si含量的增加，出現(xiàn)磨損的比率有所下降。使用5w30機(jī)油時(shí)，硅含量為3%的涂層磨損顯著下降。這可以證實(shí)機(jī)油黏度和Si含量是影響磨損的2個(gè)重要參數(shù)。然而，為了實(shí)現(xiàn)較高的燃油效率，低黏度機(jī)油的使用量已有所增加，Si-DLC就是提高耐磨性的非常有效的解決方案。

(a)

(b)圖6　DLC和Si-DLC的磨損出現(xiàn)率

為評(píng)定Si-DLC的效果，使用5W20和5W30機(jī)油進(jìn)行了300 h發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。圖7所示為4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果。Si-DLC涂層挺桿未出現(xiàn)磨損，也未出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃油效率方面的問題。因此，可以證實(shí)，Si-DLC涂層是1種耐用的低摩擦涂層。

圖7　Si-DLC涂層挺桿經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后的結(jié)果

4　結(jié)語

與Cr-DLC和Ti-DLC涂層相比，添加Si的DLC涂層的摩擦最低。通過控制Si含量，仍然可以使涂層保持低摩擦特性，并能使耐磨性比DLC涂層有所提高。這是因?yàn)樵谕繉禹敳啃纬傻难趸鑼悠鸬搅藷嵴系淖饔?。研究表明，Si含量5%～9%的Si-DLC 涂層挺桿具有最佳的耐磨性和耐久性。

[1] Hauert R. An overview on the tribological behavior of diamond-like carbon in technical and medical applications[J]. Tribology Int.， 37(11)， 2004： 991-1003.

[2] Mabuchi Y， Hamada T， Izumi H， et al. The development of hydrogen-free DLC-coated valve-lifter[C]. SAE Paper 2007-01-1752.

[3] Mori H， Takahashi N， Kazuyuki N，et al. Low friction property and its mechanism of DLC-Si films under dry sliding conditions[C]. SAE Paper 2007-01-1015.

[4] Tallant D R， Parmeter J E， Siegal M P，et al. The thermal stability of diamond-like carbon[J]. Diamond and Related Materials， 4(3)， 1995： 191-199.

[5] Tung S C， Gao H. Tribological characteristics and surface interaction between piston ring coatings and a blend of energy-conserving oils and ethanol fuels[J]. Wear， 255(7)， 2003： 1276-1285.

[6] Shinyoshi T， Fuwa Y， Ozaki Y. Wear analysis of DLC coating in oil containing Mo-DTC[C]. SAE Paper 2007-01-1969.

[7] Bewilouga K， Dimigen H. Preparation of W-C： H coatings by reactive magnetron sputtering[J]. Surface and Coatings Tech.， 61(1)， 1993： 144-150.

[8] Grill A. Tribology of diamond like carbon and related materials： and updated review[J]. Surface and Coatings Tech.， 94， 1997： 507-513.

[9] Robertson J. Properties of diamon-like carbon[J]. Surface and Coatings Tech.， 50(3)， 1992： 185-203.

[10] Robertson J. Diamond-likecarbon[R]. Materials Science and Engineering， 37(4)， 2002： 129-281.

2015-11-27)