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上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司,上海,201804
DLC涂層改善氣門(mén)挺柱摩擦學(xué)性能的試驗(yàn)研究
李偉軍李周裕王媛慧
上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司,上海,201804
為探求DLC涂層對(duì)氣門(mén)挺柱摩擦學(xué)性能的影響,制備了三種不同表面處理的氣門(mén)挺柱,搭建了配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)比分析了不同頂面處理方法的氣門(mén)挺柱在不同轉(zhuǎn)速和缸蓋溫度下的摩擦功耗;測(cè)試了試驗(yàn)前后氣門(mén)挺柱和凸輪的表面形態(tài),研究了DLC涂層表面特性及其耐磨損特性。試驗(yàn)結(jié)果表明,DLC涂層能夠減小氣門(mén)挺柱表面粗糙度,含Si的DLC涂層表面粗糙度極小;氣門(mén)挺柱與凸輪之間的摩擦力矩隨著凸輪軸轉(zhuǎn)速上升逐漸減小,隨著缸蓋溫度上升逐漸增大;相對(duì)于傳統(tǒng)碳氮共滲氣門(mén)挺柱,DLC涂層能有效減小摩擦損失,含Si的DLC涂層能減小高達(dá)20%的摩擦損失;無(wú)涂層氣門(mén)挺柱和不含Si的DLC涂層氣門(mén)挺柱的耐磨性較差,含Si的DLC涂層具有極好的耐磨性。
汽油機(jī);DLC涂層;氣門(mén)挺柱;摩擦學(xué);配氣系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架
氣門(mén)挺柱是車(chē)用汽油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)型氣門(mén)機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)部件,與凸輪軸構(gòu)成一個(gè)關(guān)鍵摩擦副。挺柱-凸輪摩擦副是發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功耗的主要來(lái)源之一,同時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生磨損,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。因此,探求合適的氣門(mén)挺柱表面處理方式對(duì)減小摩擦、改善磨損具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
氣門(mén)挺柱-凸輪摩擦副具有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,且應(yīng)力狀態(tài)惡劣,使氣門(mén)挺柱表面改性研究面臨很大的挑戰(zhàn)。而類(lèi)金剛石(DLC)涂層能有效地降低摩擦損失、控制結(jié)構(gòu)磨損,因此DLC涂層及其在氣門(mén)挺柱中的應(yīng)用研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。黃國(guó)俊[1]對(duì)摻雜Si和Ge的DLC涂層進(jìn)行研究,結(jié)果表明含Si或Ge的DLC涂層相比未摻雜Si和Ge的DLC涂層內(nèi)應(yīng)力降低,且硬度較高。藤井美橞[2]探求了不同DLC涂層的特性,并介紹了其在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)、燃油噴射泵、齒輪齒面和氣門(mén)挺柱上的應(yīng)用,指出含Si的DLC涂層能較大地提高電磁離合器的工作壽命。黃平等[3]在材料為20CrMo的發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱上利用多層梯度復(fù)合技術(shù)沉積了低摩擦類(lèi)涂層CrTi/CrTiN/CrTiC/DLC,該復(fù)合涂層挺柱的磨損率為滲碳挺柱的1/6。武彬等[4]采用磁控濺射方法,制備了DLC薄膜涂層挺柱,研究了DLC涂層挺柱的摩擦學(xué)行為及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能的影響,研究結(jié)果表明在實(shí)際使用工況下,配氣機(jī)構(gòu)的摩擦損失降低6%。Hofmann等[5]的理論研究結(jié)果表明,含Si的DLC涂層(a-C∶H∶Si)比不含Si的DLC涂層(a-C∶H)具有更低的摩擦因數(shù)和更好的耐磨性。在配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架研究方面,劉忠民等[6]搭建了可以進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和耐久性試驗(yàn)的臺(tái)架,且能控制缸蓋溫度和潤(rùn)滑油溫度。
本研究制備了兩種不同類(lèi)型的DLC涂層的氣門(mén)挺柱,將DLC涂層應(yīng)用到氣門(mén)挺柱中,在摩擦分析臺(tái)架上測(cè)試了DLC涂層氣門(mén)挺柱的表面形態(tài),并搭建了配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架,模擬了氣門(mén)挺柱實(shí)際工作承受的交變作用力,采用試驗(yàn)手段對(duì)比研究了不同DLC涂層對(duì)氣門(mén)挺柱的摩擦學(xué)性能的影響,為改進(jìn)氣門(mén)挺柱設(shè)計(jì)提供了新的思路。
1.1氣門(mén)挺柱
常見(jiàn)的氣門(mén)驅(qū)動(dòng)方式主要有頂置凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)式和頂置凸輪軸末端支點(diǎn)式。直接驅(qū)動(dòng)式氣門(mén)機(jī)構(gòu)中凸輪通過(guò)機(jī)械挺柱直接驅(qū)動(dòng)氣門(mén)運(yùn)動(dòng),凸輪與氣門(mén)挺柱構(gòu)成滑動(dòng)摩擦副,其摩擦狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)重于末端支點(diǎn)式摩擦狀況,且由于氣門(mén)彈簧力的作用,氣門(mén)挺柱與凸輪表面大部分時(shí)間都處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)[7-8]。因此機(jī)械式氣門(mén)挺柱最需要進(jìn)行表面改性,是本文的研究對(duì)象。目前常用的氣門(mén)挺柱表面處理方式為碳氮共滲,DLC涂層作為一種新型表面處理方式也逐漸得以應(yīng)用。
1.2DLC涂層
碳在自然界有兩種存在形式:金剛石和石墨。在金剛石結(jié)構(gòu)中,每個(gè)碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵,形成一個(gè)正四面體。石墨結(jié)構(gòu)中的每個(gè)碳原子外層電子以sp2雜化軌道和相鄰的三個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵并排列成六角平面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又構(gòu)成互相平行的片層結(jié)構(gòu)。DLC的結(jié)構(gòu)混雜于金剛石結(jié)構(gòu)(sp3)區(qū)域和石墨結(jié)構(gòu)(sp2)區(qū)域,是屬于不具備特定晶體結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。DLC涂層可分為含氫類(lèi)金剛石(a-C∶H)涂層和無(wú)氫類(lèi)金剛石涂層兩種。含氫DLC涂層中的氫原子含量在20%~50%之間,sp3成分小于70%。無(wú)氫DLC涂層中常見(jiàn)的是四面體非晶碳(ta-C)膜。ta-C涂層中以sp3鍵為主,sp3含量一般高于70%。
傳統(tǒng)的涂層具有起伏不平的表面形態(tài),而DLC涂層表面粗糙度極小,因此表面摩擦因數(shù)低于0.1[7],且耐磨損。
DLC成膜方法可大致分為化學(xué)氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)。DLC成膜原料可以選用氣態(tài)碳化氫和固態(tài)碳。以碳化氫氣體為原料產(chǎn)生的覆膜中含氫,而以固態(tài)碳為原料則可形成不含氫的覆膜。含氫量以及sp3與sp2的比例直接決定了薄膜的硬度、密度、內(nèi)應(yīng)力和密合性、摩擦磨損性能。DLC涂層待解決的問(wèn)題主要包括確保密合性、改善摩擦磨損特性,確保成膜一致性和控制膜厚度等,因此改善工藝和原料具有重要意義。
2.1不同處理方式的氣門(mén)挺柱制備
為比較不同DLC涂層對(duì)氣門(mén)挺柱摩擦學(xué)性能的影響,本研究制備了三種不同表面處理的氣門(mén)挺柱,分別為頂面碳氮共滲挺柱(無(wú)涂層)、頂面不含Si的DLC涂層挺柱(涂層一)和頂面含Si的DLC涂層挺柱(涂層二)。兩種DLC涂層均采用物理氣相沉積法(PVD)+離子加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PACVD)形成,基體材料均為SCM415,分別形成a-C∶H和a-C∶H∶Si的功能層。
2.2配氣系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架搭建
圖1為試驗(yàn)臺(tái)架示意圖,試驗(yàn)裝置主要包括電機(jī)、缸蓋總成、聯(lián)軸器、扭矩傳感器、機(jī)油溫度控制模塊和冷卻水模塊。試驗(yàn)前按照實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)(主要參數(shù)見(jiàn)表1)安裝缸蓋,對(duì)中電機(jī)軸線(xiàn)和凸輪軸軸線(xiàn),并通過(guò)聯(lián)軸器連接電機(jī)和凸輪軸,機(jī)油加熱模塊在試驗(yàn)前對(duì)機(jī)油進(jìn)行預(yù)熱并在試驗(yàn)過(guò)程中保持缸蓋為恒溫狀態(tài)。裝置通過(guò)特定的管道對(duì)缸蓋供油潤(rùn)滑、供水冷卻。試驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)帶動(dòng)正時(shí)機(jī)構(gòu)或凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),扭矩傳感器測(cè)量凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)消耗的扭矩。
(b)配氣機(jī)構(gòu)摩擦扭矩測(cè)試裝置圖1 試驗(yàn)裝置圖
項(xiàng)目參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)排量V(L)1.5氣缸數(shù)4凸輪軸布置形式雙頂置每缸進(jìn)/排氣門(mén)數(shù)2/2氣門(mén)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)形式直接驅(qū)動(dòng)式氣門(mén)間隙c(mm)0.15油壓p(Pa)磨合階段:3×105測(cè)量階段:2×105缸蓋溫度T(℃)60,80,100
試驗(yàn)分為磨合階段和測(cè)量階段。磨合又分為兩個(gè)階段,第一個(gè)階段電機(jī)驅(qū)動(dòng)正時(shí)機(jī)構(gòu)(圖2a),正時(shí)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)兩根凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),直到測(cè)量出的扭矩TQ在20 h內(nèi)變化在0.1 N·m之內(nèi),第二階段電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)凸輪軸單根凸輪軸(圖2b),試驗(yàn)時(shí)間為24 h。測(cè)量階段采集凸輪軸摩擦力矩。該試驗(yàn)采用三種不同的氣門(mén)挺柱,即2.1中提到的無(wú)涂層、涂層一和涂層二。
(a)正時(shí)驅(qū)動(dòng)(b)凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)圖2 正時(shí)驅(qū)動(dòng)方式和凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)方式
3.1試驗(yàn)前表面形貌分析
1.無(wú)涂層 2.涂層一 3.涂層二圖3 氣門(mén)挺柱頂面粗糙度Rz1
為了比較不同DLC涂層改善挺柱表面特性的影響,試驗(yàn)前測(cè)量了氣門(mén)挺柱和凸輪軸的表面粗糙度。圖3是試驗(yàn)前三種不同挺柱的頂面粗糙度Rz1對(duì)比圖。由圖3可知,無(wú)涂層氣門(mén)挺柱整體Rz1高,1號(hào)進(jìn)氣門(mén)(進(jìn)1)和4號(hào)進(jìn)氣門(mén)(進(jìn)4)Rz1甚至達(dá)到0.4 μm以上,可以預(yù)知?dú)忾T(mén)挺柱-凸輪摩擦副摩擦因數(shù)高,而DLC涂層氣門(mén)挺柱具有相對(duì)較小的Rz1,只有具有涂層一的7號(hào)排氣門(mén)(排7)的Rz1要明顯高于無(wú)涂層氣門(mén)挺柱的Rz1,說(shuō)明DLC涂層氣門(mén)挺柱具有降低表面摩擦因數(shù)的潛力。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),涂層一(a-C∶H)氣門(mén)挺柱Rz1分布相對(duì)分散,部分氣門(mén)挺柱Rz1接近0.1 μm,而另外一些甚至超過(guò)0.3 μm。除了4號(hào)排氣門(mén)挺柱,涂層二(a-C∶H∶Si)氣門(mén)挺柱Rz1一致性好,具有更好的表面形態(tài)。因此,從控制產(chǎn)品質(zhì)量的角度講,含Si的DLC涂層具有更好的涂層表面質(zhì)量。
圖4是試驗(yàn)前三種不同挺柱對(duì)應(yīng)凸輪軸的粗糙度Rz2對(duì)比圖。從圖4中可以看出,三個(gè)凸輪軸上對(duì)應(yīng)各個(gè)氣門(mén)挺柱的凸輪Rz2集中在1.1~1.6 μm之間,只有少數(shù)幾個(gè)在范圍之外,雖然對(duì)應(yīng)某個(gè)固定氣門(mén)挺柱的凸輪Rz2有明顯的差異,但是在工程上要制造出完全相同的凸輪也是不可能的,并且從統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)講,可以認(rèn)定凸輪軸三根凸輪軸的凸輪Rz2沒(méi)有明顯的差異,只是凸輪和氣門(mén)挺柱的隨機(jī)組合,摩擦力矩測(cè)試是整個(gè)凸輪軸的摩擦力矩TQ,因此,可以認(rèn)為凸輪不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響。
1.無(wú)涂層 2.涂層一 3.涂層二圖4 凸輪軸表面粗糙度Rz2
3.2試驗(yàn)?zāi)Σ僚ぞ胤治?/p>
圖5是測(cè)量階段在不同機(jī)缸蓋溫度下的三種氣門(mén)挺柱的摩擦扭矩TQ對(duì)比圖。綜合圖5a~5f可知,隨著凸輪軸轉(zhuǎn)速提高,TQ逐漸減小,在低速階段下降梯度大,在2500 r/min以上,TQ趨于平穩(wěn),這是由于氣門(mén)挺桿和凸輪處于混合潤(rùn)滑狀態(tài),隨著轉(zhuǎn)速增大,潤(rùn)滑作用體現(xiàn)更為明顯,油膜厚度增大,微凸體接觸減少,TQ減??;隨著機(jī)缸蓋溫度升高,TQ呈上升趨勢(shì),這是由于溫度上升,機(jī)油黏度下降,相同載荷下油膜厚度下降,微凸體接觸更嚴(yán)重,TQ上升。
對(duì)比無(wú)涂層和有DLC涂層氣門(mén)挺柱對(duì)應(yīng)的摩擦力矩TQ曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),在全凸輪軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),帶DLC涂層的氣門(mén)挺柱均能改善摩擦力矩,含Si的DLC涂層具有更小的TQ,體現(xiàn)出了低表面粗糙度的優(yōu)勢(shì)。為定量分析DLC對(duì)摩擦力矩的貢獻(xiàn)度,本研究分析了80 ℃缸蓋溫度下,DLC涂層對(duì)減小氣門(mén)挺柱摩擦力矩TQ的貢獻(xiàn)程度,如圖6所示。對(duì)進(jìn)氣門(mén),使用涂層一,氣門(mén)挺柱TQ下降5%左右,且在低速段具有更為明顯的減小摩擦作用;使用涂層二氣門(mén)挺柱,TQ在低速和中速階段降低20%左右,在高速階段,經(jīng)改進(jìn)后下降到10%,這是因?yàn)樵诟咚匐A段無(wú)涂層氣門(mén)挺柱本身摩擦狀態(tài)相對(duì)較弱。對(duì)排氣門(mén),含Si的DLC涂層也表現(xiàn)出更好的減小摩擦效應(yīng),減小摩擦效率最高可達(dá)20%以上。
(a)60 ℃缸蓋溫度進(jìn)氣門(mén)挺柱
(b)60 ℃缸蓋溫度排氣門(mén)挺柱
(c)80 ℃缸蓋溫度進(jìn)氣門(mén)挺柱
(d)80 ℃缸蓋溫度排氣門(mén)挺柱
(e)100 ℃缸蓋溫度進(jìn)氣門(mén)挺柱
(f)100 ℃缸蓋溫度排氣門(mén)挺柱1.無(wú)涂層 2.涂層一 3.涂層二圖5 不同涂層氣門(mén)挺柱消耗的摩擦力矩TQ
(a)進(jìn)氣門(mén)摩擦力矩TQ減小百分比
(b)排氣門(mén)摩擦力矩TQ減小百分比1.涂層一 2.涂層二圖6 進(jìn)排氣門(mén)摩擦力矩TQ減小
3.3氣門(mén)挺柱頂面磨損形態(tài)分析
磨損量是零件耐久性能的主要指標(biāo),對(duì)試驗(yàn)前后的氣門(mén)挺柱狀態(tài)進(jìn)行分析可以反映涂層的耐磨損性能。Liu等[9]的研究表明在200 ℃以下,DLC薄膜的磨損機(jī)制主要是塑性形變;在300 ℃左右,薄膜主要的磨損機(jī)制為斷裂和剝落。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的溫度來(lái)判斷,氣門(mén)挺柱DLC涂層的磨損機(jī)理表現(xiàn)為塑性變形。
雖然對(duì)不同涂層的氣門(mén)挺柱,磨合時(shí)間有一定的差異,但是根據(jù)磨損特性,在磨合階段磨損最為嚴(yán)重,而測(cè)試階段的磨損量較少,因此,試驗(yàn)前后的磨損形態(tài)也能反映耐磨性。各個(gè)氣門(mén)挺柱磨損形態(tài)表現(xiàn)出一致的特性,本研究選取8號(hào)排氣門(mén)試驗(yàn)前后對(duì)應(yīng)的氣門(mén)挺柱表面形貌來(lái)研究磨損特性(圖7)。從圖中可以看出,試驗(yàn)結(jié)束后,無(wú)涂層氣門(mén)挺柱和涂層一氣門(mén)挺柱頂面整體磨損量較大,且體現(xiàn)出局部磨損較大,試驗(yàn)后氣門(mén)挺柱頂面更加不光滑,因此試驗(yàn)后摩擦力矩相對(duì)試驗(yàn)前會(huì)有所增大。而含Si的DLC涂層在試驗(yàn)前后表面形貌幾乎沒(méi)有改變,只是局部更加光滑,因此,試驗(yàn)后摩擦力矩TQ會(huì)相對(duì)試驗(yàn)前有所減小。
(a)無(wú)涂層氣門(mén)挺柱
(b)涂層一氣門(mén)挺柱
(c)涂層二氣門(mén)挺柱圖7 試驗(yàn)前后氣門(mén)挺柱磨損圖
3.4試驗(yàn)后表面形貌分析
每個(gè)氣門(mén)挺柱對(duì)應(yīng)的凸輪表面粗糙度Rz2不同,但是試驗(yàn)前后Rz2整體趨勢(shì)的對(duì)比仍然具有一定的意義。圖8所示為試驗(yàn)后與試驗(yàn)前氣門(mén)挺柱頂面粗糙度Rz1和凸輪表面粗糙度Rz2對(duì)比,由圖8可知,對(duì)無(wú)涂層的氣門(mén)挺柱,試驗(yàn)后氣門(mén)挺柱頂面變得更加粗糙,從圖7中也可以看出表面局部磨損嚴(yán)重,表面形貌更加不平滑;對(duì)不含Si的DLC涂層氣門(mén)挺柱,挺柱頂面整體變得更加光滑,但是8號(hào)排氣門(mén)更加粗糙,這也可以從圖7b中看出;對(duì)于含Si的DLC涂層氣門(mén)挺柱,挺柱頂面整體變得更加光滑,且一致性好。圖8b所示為試驗(yàn)后凸輪表面粗糙度Rz2的變化,可以看出,除了涂層一對(duì)應(yīng)的3號(hào)進(jìn)氣門(mén)凸輪和無(wú)涂層對(duì)應(yīng)的8號(hào)排氣門(mén)凸輪,其他凸輪表面略變粗糙,粗糙度增加0.7 μm左右??梢?jiàn)凸輪對(duì)不同的挺柱影響較小。
(a)試驗(yàn)前后氣門(mén)挺柱頂面表面粗糙度Rz1
(b)試驗(yàn)前后凸輪表面粗糙度Rz21.無(wú)涂層 2.涂層一 3.涂層二圖8 試驗(yàn)前后表面粗糙度對(duì)比
(1)具有DLC涂層的氣門(mén)挺柱頂面具有更小的表面粗糙度,一致性好,含Si的DLC涂層表面粗糙度僅為0.15 μm左右。
(2)氣門(mén)挺柱與凸輪之間的摩擦力矩隨著凸輪軸轉(zhuǎn)速上升逐漸減小,隨著缸蓋溫度上升逐漸增大。DLC涂層能有效減小摩擦損失,相對(duì)于傳統(tǒng)的碳氮共滲氣門(mén)挺柱,不含Si的DLC涂層能減小摩擦損失5%左右,含Si的DLC涂層能減小高達(dá)20%的摩擦損失。
(3)無(wú)涂層氣門(mén)挺柱和不含Si的DLC涂層氣門(mén)挺柱的耐磨性較差,含Si的DLC涂層具有極好的耐磨性。
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(編輯王艷麗)
Experimental Study on Effects of DLC Coating on Improvement of Tappet Tribology Characteristics
Li WeijunLi ZhouyuWang Yuanhui
SAIC Motor,Shanghai,201804
In order to analyze the effects of DLC coating on tribology characteristics of valve tappet, tappets with three different kinds of surface treatment were prepared and valvetrain mechanism test bench was built. Then friction loss of valve tappets with different valve tappet top surface treatment was tested under different oil temperature. Surface profiles of valve tappets and cams were tested before and after the experiments to study the surface characteristic and anti-wear ability of DLC coating. The results show that DLC coating can reduce surface roughness of tappet and DLC coating with Si has extremely small roughness. Friction torque between tappet and cam decreases as the rotation speed of camshaft gets bigger and increases when the oil temperature is higher. DLC coating can effectively improve friction loss. Compared with traditional tappet with carbonitriding, DLC coating with Si can cut down friction loss by as large as 20%. Tappets with no coating and with coating without Si have bad anti-wear ability, while DLC coating with Si has prefect wear resistance ability.
gasoline engine;DLC coating; valve tappet; tribology; valvetrain mechanism test bench
2014-01-08
TK415< class="emphasis_italic">DOI
:10.3969/j.issn.1004-132X.2015.05.024
李偉軍,男,1975年生。上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心工程師。主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)本體設(shè)計(jì)。獲中國(guó)專(zhuān)利4項(xiàng)。發(fā)表論文2篇。李周裕,男,1987年生。上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心工程師。王媛慧,女,1982年生。南京汽車(chē)集團(tuán)有限公司動(dòng)力總成部工程師。