類金剛石薄膜挺柱的制備與性能

武 彬，李 駿，2，張俊彥，張 斌

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022；2.中國第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，長春 130011；3.中國科學(xué)院 固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

類金剛石（Diamond－like carbon，DLC）膜是一類非晶碳膜，具有低摩擦因數(shù)、高耐磨性、高硬度及高化學(xué)穩(wěn)定性。已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子等領(lǐng)域［1］。DLC薄膜的低摩擦因數(shù)可以有效地降低發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件的摩擦損失，有利于發(fā)動機(jī)節(jié)能減排［2-4］。日本日產(chǎn)汽車公司最先將DLC薄膜用在汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)摩擦損失降低10%，燃油效率提高1%［5］。本文在中國第一汽車股份有限公司自主開發(fā)的CA4GA發(fā)動機(jī)的挺柱上沉積DLC薄膜，研究DLC薄膜摩擦磨損性能及其對發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)能量損失的影響。

1 DLC挺柱制備與試驗(yàn)方法

1.1 DLC挺柱制備

采用磁控濺射的方法，利用氬氣和甲烷為氣源，在中國第一汽車股份有限公司自主研發(fā)的CA4GA發(fā)動機(jī)挺柱表面沉積類金剛石碳薄膜，制備條件如下：氣壓為0.6Pa；Ar流量為1.1×10－6m3／s；CH4流量為7.5×10－5m3／s；負(fù)偏壓為600V；占空比為20%；靶電流為18A；靶電壓為280V；時間為2.5h。

沉積之前先用等離子體清洗基底，以除去表面的殘留氧化物和其他雜質(zhì)，再鍍上一層150～200nm的硅過渡層以增加薄膜和基底的結(jié)合力。

DLC挺柱樣件在原機(jī)挺柱頂面及側(cè)面沉積DLC薄膜，DLC薄膜挺柱成品呈黑色，表面均勻光滑，硬度高，如圖1所示。

圖1 未沉積和沉積DLC的挺柱Fig.1 Un－coated and coated DLC tappets

1.2 試驗(yàn)方法

為了檢測沉積DLC薄膜挺柱的摩擦磨損性能，在大氣氣氛下，以鋼球?yàn)閷ε迹枚喙δ苣Σ聊p試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。首先在CSM商用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，在載荷為400N（接觸應(yīng)力是400 MPa，參照凸輪挺柱之間實(shí)際平均接觸應(yīng)力為392MPa而定）、點(diǎn)接觸模式、頻率50Hz的條件下，利用美孚10W－30型號潤滑油，測量原機(jī)挺柱樣件與鋼球之間的摩擦因數(shù)。在相同的試驗(yàn)條件下，測量DLC挺柱樣件與鋼球之間的摩擦因數(shù)。在20N載荷條件下，重復(fù)測量零件的摩擦因數(shù)。在干摩擦條件下，利用多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)檢測樣件耐磨性能。

利用CA4GA發(fā)動機(jī)缸蓋，搭建電動反拖配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺架（見圖2），模擬整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況。潤滑油溫度為室溫，潤滑油壓力為2×105Pa，使用電機(jī)反拖發(fā)動機(jī)凸輪軸，并使凸輪軸轉(zhuǎn)速由300r／min升高到2000r／min，對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由600r／min升高到4000r／min。利用轉(zhuǎn)矩傳感器及DEWETON數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的摩擦功耗。

試驗(yàn)測試設(shè)備如下：YCT132－4B型電磁調(diào)速電動機(jī)用于拖動凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)；DEWE2600型DEWETRON數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)采集；LD1605－50型激光位移傳感器用于測量氣門動態(tài)升程；307型潤滑油控制裝置用于提供潤滑油及進(jìn)行潤滑油狀態(tài)控制。

圖2 配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺架Fig.2 Valve train test rig

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 薄膜性能測試

盡管試樣表面的粗糙度比較大，但由于類金剛石碳薄膜的非晶特性，使其能沿基底面形貌生長，可以沉積出連續(xù)、光滑、致密的薄膜，所沉積的薄膜厚度在4.6μm左右，如圖3所示。

圖3 DLC挺柱試樣的橫截面圖Fig.3 Crosssection graph of DLC tappet sample

原機(jī)挺柱材料為20CrMoH，頂面做碳氮共滲處理，層深0.3～0.6mm，頂面硬度為720～850HV。利用Hysitron TI－950型納米壓痕儀測定沉積后樣件硬度，如圖4所示。

圖4 DLC涂層硬度Fig.4 Hardness of DLC coatings

圖5 邊界潤滑摩擦因數(shù)曲線Fig.5 Friction coefficient curve of boundary lubrication

為檢測DLC薄膜的摩擦學(xué)性能，首先在CSM商用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測量DLC薄膜挺柱與原機(jī)挺柱的摩擦因數(shù)。圖5顯示了載荷為400 N條件下的測量結(jié)果，這時被測零件與對偶鋼球之間為邊界潤滑，最接近挺柱的實(shí)際運(yùn)行工況。測試結(jié)果表明：未加DLC薄膜的原件平均摩擦因數(shù)為0.3，DLC薄膜樣件平均摩擦因數(shù)為0.1，降低了約67%。觀察無DLC挺柱原件摩擦開始階段（running－in）的曲線特征可以發(fā)現(xiàn)，曲線出現(xiàn)比較嚴(yán)重的波動。這是因?yàn)樵谀Σ脸跏茧A段表面的粗糙度會影響摩擦因數(shù)的值，在磨合階段會把表面的凸出部分“磨平”，按照粗糙度的不同，產(chǎn)生的摩擦阻力也不一樣。摩擦的初始階段，DLC薄膜表面會發(fā)生磨損，產(chǎn)生一些小的磨屑，這些磨屑在摩擦副之間的相對運(yùn)動中被擠壓、碾碎，最后被轉(zhuǎn)移到對偶球表面，形成轉(zhuǎn)移膜［6］。在轉(zhuǎn)移膜生成之后，滑動摩擦就主要發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和DLC薄膜之間，這層具有低剪切力的轉(zhuǎn)移膜的生成，有效降低了相對運(yùn)動時的阻力，使DLC薄膜在穩(wěn)定摩擦期的摩擦曲線非常平穩(wěn)，摩擦因數(shù)和磨損率更低。薄膜內(nèi)部類石墨的團(tuán)簇?cái)?shù)量和尺寸的增加以及薄膜的有序化過程同樣能夠降低摩擦因數(shù)［7］。DLC樣件的摩擦因數(shù)曲線相對光滑，表明發(fā)動機(jī)零件在實(shí)際工況下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，有利于減小發(fā)動機(jī)的振動及噪聲。

在邊界潤滑條件下，載荷對薄膜摩擦因數(shù)的影響主要依賴于實(shí)際接觸面積的變化，見式（1）：

式中：μ為摩擦因數(shù)；S為薄膜的剪切強(qiáng)度；A為實(shí)際接觸面積；W 為法向載荷。

由于DLC薄膜在摩擦過程中結(jié)構(gòu)和硬度均沒有發(fā)生較大變化，因此可以認(rèn)為DLC薄膜的剪切強(qiáng)度S保持不變。這時，μ正比于A／W 的比值。隨著載荷的增加，A／W 比值逐漸降低，這是薄膜摩擦因數(shù)低的一個主要原因。

圖6 流體潤滑摩擦因數(shù)曲線Fig.6 Friction coefficient curve of hydrodynamic lubrication

圖6顯示載荷為20N條件下的摩擦因數(shù)曲線?？梢钥吹?，無DLC挺柱原件的摩擦因數(shù)為0.045左右，DLC薄膜樣件的摩擦因數(shù)同樣為0.045左右，二者很接近。這是因?yàn)樵谳^低的測試壓力下（荷載為20N），測試樣件和對偶鋼球之間能形成有效的潤滑油膜，此時為流體潤滑，從而使摩擦副之間的摩擦行為變成油潤滑控制，薄膜自身的組成和結(jié)構(gòu)對摩擦因數(shù)的影響不大。

利用AEP三維表面輪廓儀分析磨痕形貌，在相同的摩擦條件下，經(jīng)過相同的時間，DLC挺柱和原機(jī)挺柱的磨損對比圖片如圖7所示。

從圖7可以看到，未沉積工件表面的磨痕非常明顯，表明發(fā)生嚴(yán)重的摩擦磨損行為，這是因?yàn)闇y試中所用的平均接觸壓強(qiáng)較高，導(dǎo)致基底在高壓下發(fā)生了塑性變形。而沉積DLC的工件表面磨痕非常窄并且淺，不易發(fā)現(xiàn)，表明零件抗磨損性能大幅提高。這種高載荷承受能力主要來源于類金剛石碳薄膜優(yōu)異的彈性恢復(fù)性能。另外，類金剛石碳薄膜的超彈性使其在有外壓存在的情況下容易變形［8］，其表面不會發(fā)生與普通材料類似的劇烈摩擦，這有利于降低摩擦因數(shù)和磨損率。特殊的微結(jié)構(gòu)賦予薄膜優(yōu)異的機(jī)械性能，保證薄膜在摩擦過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加對載荷的承受能力，提高薄膜的抗氧化性能，降低摩擦因數(shù)和磨損率。

圖7 磨損表面的微觀形貌Fig.7 Microgram of wear surface

2.2 配氣機(jī)構(gòu)臺架試驗(yàn)

圖8 DLC薄膜挺柱Fig.8 DLC coating tappets

圖8顯示DLC挺柱與原機(jī)挺柱對發(fā)動機(jī)凸輪軸扭矩的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)用DLC涂層挺柱后，凸輪軸扭矩平均降低6%。這是因?yàn)?，凸輪和挺柱這對摩擦副承受著很高的比壓，即接觸應(yīng)力很高，在其運(yùn)動中伴隨著振動和沖擊，潤滑條件惡劣，在高速時摩擦熱往往不能很好地散發(fā)。發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪和挺柱這對摩擦副不同于曲軸和軸瓦之間的油壓潤滑，不能很好地建立潤滑油膜，在凸輪挺柱的接觸處是處于邊界潤滑狀態(tài)。凸輪與從動件間的計(jì)算油膜厚度在低轉(zhuǎn)速區(qū)域小于1.0μm，比表面粗糙度值小得多，尤其會出現(xiàn)在凸輪某一轉(zhuǎn)角處機(jī)油夾帶速度為零的現(xiàn)象［9-10］。從圖8還可以看到，凸輪軸扭矩隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低，這是因?yàn)樵诎l(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)且潤滑不足的條件下，凸輪挺柱摩擦副的摩擦損失加大，甚至?xí)霈F(xiàn)擦傷現(xiàn)象。DLC薄膜挺柱在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為600r／min時，能降低摩擦損失11%?？梢钥闯觯珼LC薄膜挺柱能有效降低發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失。

3 結(jié) 論

（1）CA4GA發(fā)動機(jī)挺柱沉積DLC薄膜后，在邊界潤滑的條件下，摩擦因數(shù)降低67%。

（2）在干摩擦條件下，經(jīng)過相同時間的摩擦磨損試驗(yàn)，CA4GA原機(jī)挺柱表面的磨痕非常明顯，發(fā)生嚴(yán)重的磨損，而DLC薄膜挺柱表面磨痕非常窄并且淺，不易發(fā)現(xiàn)，耐磨損性能提高。

（3）發(fā)動機(jī)挺柱沉積DLC薄膜后，凸輪軸扭矩降低6%，從而可以降低發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失，降低發(fā)動機(jī)整機(jī)油耗和排放；可以提高發(fā)動機(jī)零件使用壽命和可靠性；為發(fā)動機(jī)其他零件應(yīng)用DLC涂層提供了依據(jù)。

［1］Erdemir A.Review of engineered tribological interfaces for improved boundary lubrication［J］.Tribol，2005，38（3）：249－256.

［2］Gahlin Rickard，Larsson Mats，Hedenqvist Per.ME－C：H coatings in motor vehicles［J］.Wear，2001，249（3／4）：302－309.

［3］Bauder Richard，Helbig Jan.The new 3.0－L TDI biturbo engine from audi［J］.MTZ，2012（1）：26－32.

［4］Boghe Mark，Carvalho Nuno.Surface engineering for DLC coatings［J］.AutoTechnology，2006，39（5）：50－53.

［5］日產(chǎn)開發(fā)成功利用無氫DLC膜降低摩擦技術(shù)［EB／OL］.［2006－03－20］.http：／／www.cnwnews.com／Html／tech＿xjs／2006－3／20／114715180.html.

［6］Liu H，Tanaka A，Kumagai T.Influence of sliding mating materials on the tribological behavior of diamond－like carbon films［J］.Thin Solid Films，1999，352（1／2）：145－150.

［7］Cui Jin－feng，Zhang Bin，Zhang Jun－yan.Mechanical and tribological properties of Ti－DLC films with different Ti content by magnetron sputtering technique［J］.Applied Surface Science，2012，258（12）：5025－5030.

［8］Wang Zhou，Zhang Bin，Zhang Jun－yan.Ultralow friction behaviors of hydrogenated fullerene－like carbon films：effect of normal load and surface tribochemistry［J］.Tribology Letters，2010，41（3）：607－615.

［9］常秋英，楊沛然，張朝輝.機(jī)油黏度對凸輪挺柱摩擦副潤滑性能的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010，28（4）：380－383.Chang Qiu－ying，Yang Pei－ran，Zhang Chao－h(huán)ui.Influence of lubricant viscosity on the lubrication of a cam－tappet pair［J］.Transactions of CSICE，2010，28（4）：380－383.

［10］Gangopadhyay A K，Carter III R O，Simko S.Valve train friction and wear performance with fresh and used low－phosphorous engine oils［J］.Tribology Transactions，2007，50（3）：350－360.