李 楠 車銀輝 李 洋

(蘇州熱工研究院有限公司 廣東深圳 518026)

內(nèi)燃機(jī)在能量密度、熱效率、燃料靈活度及市場占有率等方面占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢，在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的地位。其中大缸徑、長沖程的大功率柴油機(jī)通常作為商用車、船舶、礦山機(jī)械以及核電應(yīng)急發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域的主要?jiǎng)恿υ??；钊h(huán)-缸套摩擦副作為柴油機(jī)中最為重要的摩擦副之一，其潤滑摩擦性能直接影響整個(gè)柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、耐用性甚至壽命。隨著柴油機(jī)向著高功率密度的方向發(fā)展，燃燒室內(nèi)的壓力、溫度也相應(yīng)不斷提升，導(dǎo)致活塞環(huán)-缸套摩擦副的潤滑條件變得更加苛刻，如果活塞環(huán)-缸套摩擦副潤滑不當(dāng)，不僅會(huì)造成不必要的摩擦損失，增加燃油消耗，還會(huì)導(dǎo)致摩擦副的異常磨損，使活塞環(huán)與缸套之間的間隙過大，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性喪失，甚至發(fā)生拉缸等重大事故。因此改善活塞環(huán)-缸套摩擦副的潤滑摩擦性能，提高柴油機(jī)的可靠性，延長使用壽命，具有重要的意義[1-3]。

隨著表面處理技術(shù)的不斷發(fā)展，通過在活塞環(huán)表面涂覆具備減摩耐磨性能的固體潤滑材料成為提高柴油機(jī)可靠性和服役壽命的有效方法[4]，其可以顯著改善活塞環(huán)-缸套摩擦副在不同負(fù)載、速度、溫度下的摩擦學(xué)性能，以及活塞在上下止點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦學(xué)性能。以類金剛石(簡稱DLC)薄膜為代表的固體潤滑材料屬于最新一代的活塞環(huán)表面處理技術(shù)，也是滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)向高負(fù)荷、高熱負(fù)荷、高功效方向發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)[5]。DLC薄膜具有高硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨損、耐腐蝕以及低的摩擦因數(shù)等優(yōu)勢[6-7]，相比于傳統(tǒng)的電鍍鉻、陶瓷涂層、氮化涂層等，DLC薄膜在活塞環(huán)表面表現(xiàn)出了優(yōu)異的摩擦學(xué)性能和可靠性。王星和程偉勝[8]開展了沉積DLC薄膜的活塞環(huán)與鉻-陶瓷復(fù)合鍍(CKS)活塞環(huán)在某汽油機(jī)上15 h的加砂潤滑油耗試驗(yàn)，結(jié)果表明DLC活塞環(huán)的潤滑油消耗率較CKS活塞環(huán)降低了24.2%，DLC活塞環(huán)的環(huán)間隙變化值和外圓磨損量也明顯小于CKS活塞環(huán)。WAN等[9]研究了在活塞環(huán)表面CrN、Cr、Cr-Al2O3和Cr-Diamond涂層表面附加DLC薄膜后的耐磨性和磨損壽命，結(jié)果表明DLC薄膜不僅可以有效提高活塞環(huán)的耐磨性能，而且提高了可靠性和魯棒性。KIMURA和SAKAI[10]研究表明，DLC薄膜和潤滑油產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)極大提高和強(qiáng)化了活塞環(huán)表面的耐磨耐蝕和減摩性能以及環(huán)境適應(yīng)性。

本文作者利用陰極電弧離子鍍技術(shù)在缸徑為280 mm的柴油機(jī)CKS活塞環(huán)表面制備了DLC薄膜，在模擬柴油機(jī)工況下評(píng)價(jià)了CKS活塞環(huán)與附加DLC薄膜后活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能，通過對(duì)磨損形貌和磨損表面結(jié)構(gòu)分析研究了摩擦磨損機(jī)制。文中研究結(jié)果對(duì)DLC薄膜在大功率柴油機(jī)活塞環(huán)表面的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

采用陰極電弧離子鍍技術(shù)在缸徑為280 mm的CKS活塞環(huán)表面制備了DLC薄膜，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察活塞環(huán)的截面形貌及薄膜厚度，通過顯微共焦拉曼光譜儀分析DLC薄膜的結(jié)構(gòu)，利用劃痕儀測定DLC薄膜與基底結(jié)合力，通過光學(xué)顯微鏡觀察劃痕形貌并判定薄膜與基底結(jié)合情況，通過納米壓入測試平臺(tái)測定DLC薄膜的硬度與彈性模量。

采用SRV-IV微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了干摩擦、油潤滑、常溫貧油潤滑和高溫貧油潤滑4種柴油機(jī)模擬工況條件下活塞環(huán)-缸套摩擦副摩擦學(xué)性能，測試參數(shù)如表1所示。摩擦對(duì)偶材料為硬度(450.73±51.46)HV、表面粗糙度約1.2 μm的片狀石墨鑄鐵缸套材料。測試后通過輪廓儀測試缸套磨損率，利用光學(xué)顯微鏡和顯微共焦拉曼光譜儀觀察磨損形貌和分析活塞環(huán)表面DLC薄膜結(jié)構(gòu)的變化情況，分析活塞環(huán)-缸套摩擦副在模擬工況下的摩擦磨損機(jī)制。文中所用潤滑油為殼牌S340柴油機(jī)專用潤滑油，其黏度系數(shù)為101，40和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度分別為139和14.4 mm2/s。

表1 活塞環(huán)-缸套4種模擬工況實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 活塞環(huán)表面DLC薄膜的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

圖1所示為活塞環(huán)表面CKS鍍層截面形貌與成分，從圖1(a)可觀察到活塞環(huán)外圓面CKS鍍層厚度約為300 μm。圖1(b)、(c)、(d)所示為圖1(a)中沿直線位置的EDS元素線掃描結(jié)果，其中橫坐標(biāo)是選擇的樣品位置(即沿著CKS鍍層厚度方向)，縱坐標(biāo)代表元素的特征X射線計(jì)數(shù)強(qiáng)度。通過EDS元素線掃描分析可知鍍層主要由Cr元素組成，在截面位置出現(xiàn)了Al元素的尖峰，表明復(fù)合鍍層中復(fù)合了氧化鋁微粒，證明鍍層為CKS復(fù)合電鍍層。

圖1 活塞環(huán)表面CKS鍍層截面形貌與成分

圖2所示為附加DLC薄膜后活塞環(huán)外圓面截面形貌。可見附加的DLC薄膜厚度約為7 μm，經(jīng)過截面拋光處理后發(fā)現(xiàn)DLC薄膜和原始CKS鍍層結(jié)合處沒有出現(xiàn)裂紋、剝落等現(xiàn)象，證明DLC薄膜與CKS鍍層之間結(jié)合力良好。進(jìn)一步通過劃痕法驗(yàn)證DLC薄膜與CKS鍍層結(jié)合力，如圖3所示，隨著加載力的增加DLC薄膜與基體剝離的載荷約為36.5 N，證明DLC薄膜膜基結(jié)合強(qiáng)度較高。

圖2 活塞環(huán)表面DLC薄膜截面形貌

圖3 活塞環(huán)表面DLC薄膜劃痕形貌

圖4所示為活塞環(huán)表面CKS鍍層與附加的DLC薄膜的載荷-壓入深度曲線。在10 mN測試載荷下，壓入深度約為190和150 nm，均未超過表面層厚度的1/10。測試結(jié)果表明：CKS鍍層的硬度為(13.2±0.7) GPa，彈性模量為(238.3±8.4) GPa；附加的DLC薄膜硬度為(18.6±1.0) GPa，彈性模量為(256.4±18.1) GPa。

圖4 活塞環(huán)表面CKS鍍層與DLC薄膜的硬度

活塞環(huán)表面DLC薄膜的Raman光譜如圖5所示。DLC薄膜表現(xiàn)為典型的非晶碳特征，在800～2 000 cm-1范圍內(nèi)Raman光譜出現(xiàn)了一個(gè)不對(duì)稱的寬峰。通過高斯擬合分峰后D峰所在位置為1 376 cm-1，G峰峰位位于1 569 cm-1，經(jīng)過計(jì)算峰面積之比得出ID/IG比值為0.98，這說明薄膜中的sp3雜化碳含量高于sp2雜化碳含量[11]。

圖5 活塞環(huán)表面DLC薄膜的Raman譜圖

2.2 活塞環(huán)表面DLC薄膜摩擦學(xué)性能

圖6所示為干摩擦、常溫貧油、高溫貧油和富油潤滑4種模擬工況條件下CKS活塞環(huán)與附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩的摩擦因數(shù)曲線。

圖6 4種模擬工況下活塞環(huán)-缸套摩擦副摩擦因數(shù)曲線

如圖6(a)所示,在干摩擦條件下，CKS活塞環(huán)-缸套摩擦副對(duì)摩的摩擦因數(shù)較高，初期摩擦因數(shù)不穩(wěn)定，在0.8～1.0之間波動(dòng)，隨后逐漸升高至1.0～1.1，這主要是由于摩擦過程中CKS活塞環(huán)表面的電鍍層與缸套材料直接接觸，為典型的固-固接觸的摩擦因數(shù)表現(xiàn)形式。CKS活塞環(huán)附加DLC薄膜后，與缸套摩擦副對(duì)摩的摩擦因數(shù)較CKS鍍層降低了71.4%，而且摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定。

如圖6(b)所示，在常溫貧油潤滑條件下，由于CKS活塞環(huán)-缸套摩擦副接觸面之間存在潤滑油膜，初始階段摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定，隨著摩擦過程中活塞環(huán)-缸套摩擦副之間的潤滑油膜逐漸破壞得不到及時(shí)補(bǔ)償，摩擦因數(shù)開始波動(dòng)，5 000 s后摩擦因數(shù)逐漸升高。CKS活塞環(huán)附加DLC薄膜后，與缸套摩擦副對(duì)摩的摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定，平均摩擦因數(shù)為0.171±0.009，主要是由于CKS活塞環(huán)附加的DLC薄膜在潤滑油膜逐漸破壞且得不到及時(shí)補(bǔ)償?shù)那闆r下起到了潤滑作用。

如圖6(c)所示，在高溫貧油潤滑條件下，CKS活塞環(huán)與附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩的摩擦因數(shù)均比較穩(wěn)定；附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副的摩擦因數(shù)降低了21.1%，主要是由于在高溫條件下潤滑油黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，可以及時(shí)地補(bǔ)充到活塞環(huán)-缸套摩擦副的接觸界面之間保持潤滑性能[7]。其中高溫貧油潤滑條件下CKS活塞環(huán)附加的DLC薄膜與潤滑油的協(xié)同潤滑作用，使得摩擦因數(shù)降低至0.101。

如圖6(d)所示，在富油潤滑條件下，CKS活塞環(huán)-缸套摩擦副接觸界面之間的潤滑油在摩擦過程中能夠及時(shí)補(bǔ)充確?？煽繚櫥?，摩擦因數(shù)比較平穩(wěn)；附加DLC薄膜后活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩的摩擦因數(shù)在初始階段較低，但是隨著測試時(shí)間的延長逐漸升高，這主要是由于附加的DLC薄膜表面對(duì)潤滑油的吸附能力較弱而使得摩擦因數(shù)略有升高[12-13]。

綜上，在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油苛刻工況環(huán)境下，CKS活塞環(huán)附加DLC薄膜后，均可降低與缸套摩擦副對(duì)摩的摩擦因數(shù)，可滿足柴油機(jī)活塞環(huán)的潤滑性能要求。

圖7所示為干摩擦、常溫貧油、高溫貧油和富油潤滑4種模擬工況條件下CKS活塞環(huán)與附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后缸套的磨損率。在干摩擦、常溫貧油、高溫貧油工況下，附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后缸套的磨損率較CKS活塞環(huán)均有一定程度的降低。其中在干摩擦條件下缸套的磨損率降低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)，在常溫貧油、高溫貧油條件下分別降低了45.6%和52.9%。然而在富油潤滑條件下，一方面由于附加的DLC薄膜硬度較高會(huì)加劇缸套材料的磨損，另一方面由于DLC薄膜對(duì)潤滑油的吸附能力較弱無法發(fā)揮DLC薄膜與潤滑油的協(xié)同潤滑作用，使得附加DLC薄膜后活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩的摩擦因數(shù)較高，缸套材料的磨損量也略有增大。

圖7 4種模擬工況下缸套磨損率

2.3 活塞環(huán)表面DLC薄膜減摩耐磨機(jī)制

圖8所示為干摩擦條件下CKS活塞環(huán)、附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后的磨痕形貌。由于活塞環(huán)表面的CKS鍍層與缸套材料直接接觸導(dǎo)致的黏著磨損，導(dǎo)致活塞環(huán)表面存在大量的磨屑和材料堆積(見圖8(a))，對(duì)摩的缸套表面存在明顯的材料剝落與磨屑堆積，EDX分析發(fā)現(xiàn)缸套表面的磨屑以氧化物為主(見圖8(b))。從圖8(c)中可以看出，附加DLC薄膜后的活塞環(huán)表面相對(duì)光滑，僅有少量的劃痕，表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損；對(duì)摩的缸套表面仍能觀察到原始的珩磨網(wǎng)紋(見圖8(d))，未觀察到明顯的黏著磨損特征，說明附加的DLC薄膜的潤滑性能有利于降低活塞環(huán)對(duì)缸套摩擦副的磨損。

圖8 干摩擦條件下磨損形貌

圖9所示為常溫貧油潤滑條件下CKS活塞環(huán)、附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后的磨痕形貌。從圖9(a)中可以看出，CKS活塞環(huán)表面存在少量的鍍層剝落，對(duì)摩的缸套表面存在少量的材料剝落與轉(zhuǎn)移(見圖9(b))，主要為活塞環(huán)-缸套摩擦副之間的潤滑油膜破壞導(dǎo)致局部的固-固直接接觸引起的黏著磨損。從圖9(c)與(d)中可以看出，附加DLC薄膜后的活塞環(huán)表面僅有輕微的劃痕，對(duì)應(yīng)的缸套表面也以輕微的劃痕特征為主，未觀察到明顯的黏著磨損特征，說明附加的DLC薄膜的潤滑性能可顯著減輕潤滑油膜破壞情況下固-固直接接觸引起的黏著磨損，保障液體潤滑劑缺失情況下的潤滑效果。

圖9 常溫貧油潤滑條件下磨損形貌

圖10所示為高溫貧油潤滑條件下CKS活塞環(huán)與附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后的磨痕形貌。從圖10(a)與(b)中可以看出，CKS活塞環(huán)表面以劃痕特征為主，對(duì)摩的缸套表面無明顯的缸套材料剝落與轉(zhuǎn)移跡象。從圖10(c)與(d)中可以看出，附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后的表面也以劃痕為主，均未觀察到材料黏著磨損特征，這是由于流動(dòng)性較高的潤滑油能夠及時(shí)彌補(bǔ)接觸界面潤滑油膜的局部缺失，避免了固-固直接接觸而引起的黏著磨損。

圖10 高溫貧油潤滑條件下磨損形貌

圖11所示為富油潤滑條件下CKS活塞環(huán)與附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后的磨痕形貌。從圖11(a)與(b)中可以看出，CKS活塞環(huán)表面存在輕微的劃痕，對(duì)摩的缸套表面無明顯的缸套材料剝落與轉(zhuǎn)移跡象。從圖11(c)與(d)中可以看出，附加DLC薄膜后的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后的活塞環(huán)與缸套表面以劃痕為主，未觀察到材料黏著磨損特征，然而由于附加的DLC薄膜表面的硬度較高以及對(duì)潤滑油的吸附能力較弱，活塞環(huán)與缸套摩擦副磨痕表面的劃痕比較明顯，對(duì)應(yīng)較高的摩擦因數(shù)和磨損率。

圖11 富油潤滑條件下磨損形貌

圖12所示為干摩擦、常溫貧油、高溫貧油和富油潤滑4種模擬工況條件下附加DLC薄膜的活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩后活塞環(huán)磨痕表面的Raman譜圖。在干摩擦條件下，活塞環(huán)磨痕表面的Raman譜圖出現(xiàn)2個(gè)尖銳的峰，且G峰位置向右移動(dòng)，說明磨痕處的DLC薄膜發(fā)生了明顯的石墨化現(xiàn)象，這也是DLC薄膜在干摩擦條件下減摩耐磨性能優(yōu)異的原因[14-15]。在常溫貧油潤滑條件下，通過分峰計(jì)算確定磨痕處ID/IG的比值為1.26，而在高溫貧油和富油潤滑條件下，磨痕處ID/IG的比值為1.03，較原始薄膜均有所升高。這說明摩擦過程中接觸界面處的DLC薄膜均發(fā)生了石墨化現(xiàn)象[16-17]，其中常溫貧油潤滑條件下，潤滑油膜局部破壞時(shí)DLC薄膜與缸套之間的固-固直接接觸致使其石墨化程度相對(duì)較高。

圖12 4種模擬工況下DLC活塞環(huán)表面Raman譜圖

3 結(jié)論

(1)采用陰極電弧離子鍍技術(shù)在CKS活塞環(huán)表面制備厚度約為7 μm的DLC薄膜，薄膜與CKS鍍層結(jié)合良好。

(2)在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油的工況下，附加的DLC薄膜可以有效降低活塞環(huán)與缸套摩擦副對(duì)摩時(shí)的摩擦因數(shù)與磨損率。

(3)摩擦過程中DLC薄膜與潤滑油的協(xié)同潤滑作用以及DLC薄膜的石墨化是改善活塞環(huán)-缸套摩擦副摩擦學(xué)性能的主要原因。