用于柴油機共軌噴油系統(tǒng)的低摩擦涂層工藝

【日】 村上洋一　菅原博好

材料工藝

用于柴油機共軌噴油系統(tǒng)的低摩擦涂層工藝

【日】 村上洋一菅原博好

為了滿足各種排放法規(guī)及燃油耗標準的限值要求，研究人員為柴油車開發(fā)了共軌噴油系統(tǒng)，目前，該系統(tǒng)已基本進入普及應用的階段。提高共軌噴油系統(tǒng)滑動部件的耐磨損性、耐膠粘性，以及抗沉積物附著性能等摩擦學特性，是充分發(fā)揮系統(tǒng)功能的關鍵。介紹氮化鉻（CrN）和類金剛石碳（DLC）覆膜等低摩擦涂層的開發(fā)與應用，開發(fā)了能滿足上述摩擦學特性要求的表面處理工藝，實現(xiàn)了傳統(tǒng)金屬材料所無法達成的性能，同時，也指出了今后有待解決的課題。

共軌噴油系統(tǒng)涂層工藝磨損CrN涂層類金剛石碳覆膜

0　前言

時下，能源及環(huán)境問題正在引起廣泛關注，以太陽能等天然能源的應用為契機，能源的應用及開發(fā)正呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。在汽車制造行業(yè)，燃料電池車（FCV）被認為極具發(fā)展前景，但該技術要實現(xiàn)全球規(guī)模的普及應用尚需一定時日，而電動車的普及應用則已出現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展的勢頭。另一方面，對由來已久且技術成熟的車用柴油機和汽油機的改進，進一步凸顯出其重要性［1］。

有利于能源節(jié)約、環(huán)境保護的內燃機方面的課題主要可分為以下2個方面：（1）改善廢氣排放性能和燃油經(jīng)濟性；（2）適應生物燃料等燃料多樣化的發(fā)展趨勢。1995年，柴油機共軌噴油系統(tǒng)首次在商用車上得到應用（圖1）［2］，如今該系統(tǒng)已成為適用于柴油車的主流技術。隨著排放法規(guī)及燃油耗標準的逐年收緊（圖2），共軌噴油系統(tǒng)的噴油壓力不斷提高，性能也在不斷強化（圖3）。目前，第4代共軌供油系統(tǒng)已能實現(xiàn)250 MPa的超高噴油壓力，并且可以多級、多次噴油，大幅降低了燃油泄漏量，為降低汽車燃油耗和排放作出了貢獻。另一方面，由于以生物柴油為首的生物質能源的出現(xiàn)，柴油機所處的燃料環(huán)境已出現(xiàn)較大變化，必須避免因燃料老化而生成并附著沉積物，進而導致滑動不良等故障的發(fā)生，這已成為當前極為重要的內燃機研究課題。由此，為適應包括生物柴油在內的各種燃料的應用需求，可提高滑動部件耐膠粘性、耐磨損性及抗沉積物附著性能的低摩擦涂層工藝已成為共軌噴油系統(tǒng)的關鍵技術。本文針對有利于能源節(jié)約、環(huán)境保護的柴油機共軌噴油系統(tǒng)相關技術，介紹低摩擦涂層工藝的開發(fā)狀況及今后的課題。

1　用于共軌噴油系統(tǒng)的低摩擦涂層工藝

柴油車主要的排放問題是PM排放，但在通常情況下，PM排放與NOx排放之間存在折中關系，要同時降低這兩種成分的排放，其難度較大。能解決這一課題的方法就是采用共軌噴油系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包括用高壓壓送燃油的供油泵（圖4），以及儲存高壓燃油的共軌油管和可實現(xiàn)每次循環(huán)多次噴油的噴油器（圖5）。

在使用低黏度柴油燃料（柴油粘度為2.7 mm2/s；發(fā)動機機油粘度為30 mm2/s）進行潤滑的情況下，由于使用超過200 MPa的高壓壓送燃油，供油泵及噴油器的滑動部件是在低潤滑、高表面壓力的苛刻環(huán)境下工作的。如采用普通的合金鋼經(jīng)熱處理、電鍍NiP等工藝的金屬材料，將會產(chǎn)生熱膠粘或異常磨損等情況，無法應用于共軌噴油系統(tǒng)。針對上述摩擦學課題，研究人員為供油泵的柱塞開發(fā)了CrN涂層工藝，也為噴油器的噴嘴針閥等部件開發(fā)了類金剛石碳（DLC）覆膜工藝，解決了耐膠粘性及耐磨損性方面的課題，為降低排放和改善燃油經(jīng)濟性作出了貢獻。

除了要滿足廢氣排放法規(guī)的限值要求，從燃料方面來講，其環(huán)保對策也是極為重要的?；谑唾Y源面臨枯竭的現(xiàn)狀，生物燃料已開始在市場上流通，與普通柴油一樣，各地區(qū)已在市場上推出各種新型燃料。對此，由于被視為“沉積物”的燃燒殘渣等附著在滑動部件上而導致滑動不暢等已成為有待解決的重大課題，而DLC覆膜所具備的抗沉積物附著的性能則能針對這一課題發(fā)揮有效作用。

對于能獲得上述摩擦學功能的涂層工藝而言，由于汽車零部件（包括與燃油系統(tǒng)相關的零部件）不同于刀具，是無法隨時替換的零部件，因而必須確保其具有高可靠性，并能實現(xiàn)高生產(chǎn)率的成膜工藝。為確?？煽啃裕瑧⒅匾韵?方面的開發(fā)工作：（1）基于不同使用環(huán)境（柴油潤滑、高壓）下的摩擦學現(xiàn)象（熱膠粘、磨損、沉積物附著）機理，實施涂層工藝的開發(fā)；（2）確保涂層在高壓條件下與基材良好的密合性。對于摩擦學機理，則運用納米級的高精度分析技術，以及環(huán)境可控型潤滑試驗裝置，并采用先進的可視化技術進行深入研究。針對因密合性差的瓶頸問題而無法廣泛應用的DLC覆膜，研發(fā)人員則采取緩和覆膜內部應力等措施，解決了這一問題，實現(xiàn)了高可靠性。此外，由于成膜工藝及等離子體密度提高等技術的發(fā)展，生產(chǎn)率也得到了進一步的提高。

2　用于共軌噴油系統(tǒng)供油泵柱塞的CrN涂層開發(fā)［4-5］

2.1基于耐磨損特性選擇涂層

在共軌噴油系統(tǒng)的供油泵中，柱塞與氣缸體會產(chǎn)生200 MPa的高燃油壓力，因此，滑動部位極為重要，其摩擦學環(huán)境也最為苛刻（圖6）。在第1代共軌噴油系統(tǒng)中，系統(tǒng)要求的燃油壓力僅為135 MPa，因此，只須對柱塞實施經(jīng)熱處理的電鍍NiP，就能確保其滿足要求的耐磨損性。然而，噴油系統(tǒng)高壓化的趨勢不斷升級，在目前200 MPa的高壓條件下，傳統(tǒng)經(jīng)熱處理的電鍍NiP等金屬材料及處理工藝已無法滿足耐磨損性、耐膠粘性的功能要求，必須開發(fā)出新型的陶瓷系涂層工藝。為此，要求達到的目標是，柴油車行駛100萬km后，其磨損量能被抑制在初期磨合后的水平，并且不出現(xiàn)膠粘現(xiàn)象。

為了尋找能在柴油潤滑條件下具有優(yōu)異耐膠粘性及耐磨損性的涂層，利用以柴油環(huán)境為潤滑條件的磨損試驗裝置，對幾種備用的涂層材料進行評價。結果顯示，幾種涂層材料均呈現(xiàn)出較高的硬度，相比SUS440C及電鍍NiP工藝，其余幾種涂層的耐磨損性都有大幅提高，其中，CrN涂層的耐磨損性最為優(yōu)異（圖7）。CrN的硬度雖然略低于DLC覆膜及TiN涂層，但在柴油潤滑條件下卻呈現(xiàn)出極為優(yōu)異的耐磨損性。為了解這一現(xiàn)象的機理，嘗試對滑動部位表面的微量附著物進行分析。使用能夠對毫微克級附著物進行分析的飛行時間二次離子質譜（TOFSIMS）法進行研究。圖8中的橫軸數(shù)據(jù)是利用TOFSIMS法得出的涂層側滑動表面碳化氫與脂肪酸的總量，縱軸數(shù)據(jù)為單位磨損量，隨著碳化氫與脂肪酸總量的增加，涂層的單位磨損量大致呈減少趨勢。這是因為CrN涂層與柴油中的碳化氫及脂肪酸發(fā)生摩擦化學反應，從而增強了其附著力，而這一附著物質可以阻礙與摩擦副配對材料SUJ2之間的膠粘，由此提高了耐磨損性。

基于上述試樣的評價結果，以及著重由分析方法得出的摩擦機理，將CrN涂層工藝應用于實體供油泵柱塞。利用相當于市場要求壽命的試驗臺耐久試驗，評價噴油壓力達200 MPa的供油泵柱塞CrN涂層的性能。結果顯示，在規(guī)定的耐久試驗后，柱塞未發(fā)生熱膠粘現(xiàn)象，磨損量也維持在初期磨合后的極低水平（約為0 μm），達到了預定的目標。

2.2CrN涂層成膜工藝的開發(fā)［6］

CrN涂層成膜工藝的關鍵是膜與基材的密合性，以及硬度和膜厚的控制。利用透射式電子顯微鏡（TEM）觀察密合性后可知，涂層密合性差的主要原因在于基材與覆膜界面存在由Fe及Cr構成的氧化物白色層，這被認為是在成膜工序前，以清潔母材表面為目的所實施的粒子轟擊工序未能完全除去氧化物的結果（圖9）。由于密合性受表面清潔程度的極大影響，所以，成膜工序前粒子轟擊工序的條件管理極為重要。此外，偏電壓及氮氣壓力對硬度的影響較大，電弧電流及成膜時間對膜厚的影響較大。只有明確成膜條件與覆膜特性之間的關系，并將其反映在管理參數(shù)上，才能確保穩(wěn)定的量產(chǎn)品質。

3　噴油器用DLC覆膜的開發(fā)［7-9］

3.1基于耐磨損性要求選擇涂層

為降低NOx排放，共軌噴油系統(tǒng)的噴油器可在幾毫秒的1個燃燒循環(huán)中實現(xiàn)最多7次噴油。噴油控制是通過電磁閥式或壓電式噴油器，控制活塞上下運動，利用高壓燃油的流入和流出，開啟或關閉噴油器前端的噴嘴針閥。噴嘴針閥等零件以約20 μm的位移量進行往復滑動，而柴油難以進入的滑動部位則極有可能出現(xiàn)無潤滑的情況，從摩擦學角度來講，這是極為苛刻的工作環(huán)境。

為了在上述滑動條件下選擇最佳的涂層，同樣利用試樣進行測試。利用前文所述的評價方法，在油潤滑條件及無潤滑（空氣）條件下對幾種涂層進行評價（圖10）。雖然在油潤滑條件下，CrN涂層的耐磨損性最為優(yōu)異，但在無潤滑的空氣狀態(tài)下，相比其他涂層，DLC覆膜的摩擦因數(shù)和單位磨損量都更低，其摩擦性能也更為優(yōu)異?？紤]到這兩種環(huán)境，選定DLC覆膜作為噴油器零件的表面處理工藝。DLC覆膜在無潤滑環(huán)境下摩擦性能更為優(yōu)異主要是因為DLC中的碳因滑動而發(fā)生石墨化，以及大氣中的水分子吸附于碳的緣故。

3.2抗沉積物附著的研究［10］

生物柴油燃料中的脂肪酸甲酯（FAME）極易因氧化而發(fā)生老化現(xiàn)象，其老化程度隨大豆或油菜籽等原料的不同而各有差異。像這樣的燃料氧化老化后會生成沉積物，并堆積在噴油器中間隙僅幾微米的狹窄滑動部位，造成滑動不暢等故障。FAME導致生成沉積物的機理極為復雜，如圖11所示，首先是由于滑動導致柴油中的老化成分羧酸鹽附著在金屬材料表面，F(xiàn)AME的分解生成物又堆積在該附著物之上，最后形成沉積物。相應對策的關鍵是要避免因滑動而導致羧酸鹽及甲酯分解生成物的附著。DLC覆膜的優(yōu)勢在于，其與羧酸等沉積物之間的表面自由能差較大，沉積物本身難以附著。并且，不僅對容易附著沉積物的鐵質基材實施涂覆工藝，而且還采用耐磨損性優(yōu)異的覆膜，避免因磨損而導致基材暴露。針對DLC與鐵質基材表面因滑動而生成并附著沉積物的特性，采用帶滑動試驗裝置的全反射紅外線吸光分析裝置（FT/IR）（圖2），在含F(xiàn)AME的柴油潤滑條件下進行試驗評價。鐵質材料表面因滑動而生成了羧酸，而施以DLC覆膜后，則完全抑制了羧酸的生成和附著（圖13）。使用實機進行耐久試驗，在幾種原料中，即使是在使用最易生成沉積物的以大豆為原料的脂肪酸甲酯（SME）（20%配比）的情況下，DLC覆膜也能抑制沉積物的生成和附著，確保充分的耐久性。綜上所述，可認為DLC覆膜是同時具備耐磨損性和抗沉積物附著性能優(yōu)異的涂層。

3.3DLC覆膜的成膜工藝開發(fā)［6］

DLC覆膜的成膜工藝技術要點在于兼顧覆膜與基材的密合性和高生產(chǎn)率。對此，每種成膜方法都各有優(yōu)缺點（表1）。為兼顧高密合性與高生產(chǎn)率，可采用通過形成與母材直接接合的中間層來實現(xiàn)成膜的濺射法，由此可以獲得與母材的高密合性；在成膜工序中利用DLC的膜厚加快成膜速度的DLC成膜方法則有等離子體化學汽相沉積（CVD）法。相比CrN涂層工藝，DLC覆膜具有與其他材質沒有的不易膠粘的優(yōu)點，相反，DLC覆膜與基材的密合性就較差，這是有待解決的課題之一。在母材（Fe基）與外表面DLC覆膜之間配置與Fe晶體結構相似的Cr，構成Cr-WC/C-DLC的3層結構，在逐漸增加DLC的條件下成膜，以求緩和其內部應力。另外，在中間層成膜之前應對基材實施Ar離子蝕刻處理，但須注意的是，如處理時間過短或偏電壓過低，則會因界面氧化物殘留及基材表面活化不充分而導致發(fā)生密合性欠佳的現(xiàn)象。圖14是運用TEM觀察DLC基材與中間層界面的結構，圖15是能散X射線光譜分析（EDX）的結果。由圖14和圖15可知，密合性好的試樣界面顯示出元素擴散良好的趨勢。經(jīng)充分Ar離子蝕刻和帶傾斜結構中間層的DLC覆膜在洛氏硬度壓痕試驗中無涂層剝落現(xiàn)象，即使是在劃痕試驗中，也顯示出超過50 N的良好密合性。另一方面，在量產(chǎn)過程中，在成膜裝置外部布置多級磁鐵，以避免接觸到零件的等離子體逃逸，提高等離子體密度，可在4.5 h的短時間內對幾千個零件實施成膜工序，提高了成膜速度（圖16）。

作為汽車零部件的表面處理工藝，基于上述成膜方法和生產(chǎn)工序所開發(fā)出的DLC覆膜在與基材的密合性及成膜速度方面都達到了頂級水平，即便在實機耐久試驗中，也能充分確保耐磨損性、抗沉積物附著性及耐熱膠粘的性能。

表1　各種涂層工藝的比較

4　涂層工藝擴大應用的可能性

本文所述低摩擦涂層工藝是為了適應在高壓及潤滑不良的苛刻環(huán)境下工作的零部件所研發(fā)的，因此，其應用范圍有望擴大到其他各個領域。產(chǎn)品小型化的需求并不僅限于汽車零部件，而是所有機械產(chǎn)品永恒的追求。在適應伴隨產(chǎn)品小型化而產(chǎn)生的高表面壓力方面，本文所述技術的通用性極好，除了可應用于發(fā)動機零部件外，在汽車的其他零部件（空調壓縮機、電磁閥、液壓泵等）上也可廣泛應用。另外，家用空調壓縮機及電機類產(chǎn)品、機床及樹脂成形等生產(chǎn)設備用泵，以及刀具、金屬模具等也均可應用這一工藝。另一方面，由于可在潤滑性較差的柴油環(huán)境下發(fā)揮良好作用，在今后或將成為汽車主流的混合動力車及電動車等燃料及潤滑油使用受限的無潤滑條件下，施以新工藝的零部件也有望獲得更高的性能。進而，這一新工藝還有可能出現(xiàn)在潤滑不良極限的宇航及真空環(huán)境用泵等領域開展應用。

5　今后的課題

汽車零部件的低摩擦涂層工藝技術是伴隨著相關環(huán)境法規(guī)的不斷收緊而穩(wěn)步發(fā)展起來的。從環(huán)保角度來考慮，今后對汽車零部件所要求的性能大致可分為以下3個方面：（1）燃料種類進一步多樣化；（2）電動化；（3）發(fā)展FCV。在燃料多樣化方面，除了生物燃料及乙醇燃料外，未來的燃料還將包括氣制油（GTL）等合成燃料，以及二甲醚（DME）、壓縮天然氣（CNG）等，這就要求確保發(fā)動機零部件在這種近似真空狀態(tài)的無潤滑苛刻工作條件下具備良好的摩擦學特性。如果是處于像FCV那樣的氫燃料環(huán)境下，那么，除近似于氣體狀態(tài)的無潤滑苛刻工作條件外，還會因為金屬的氧化膜被還原而導致膠粘現(xiàn)象增加，這就必須提高零件的耐膠粘性。在部件電動化的發(fā)展趨勢中，則要求零部件具備包括絕緣性及低接觸電阻等電氣功能在內的復合摩擦學特性?？傊?，提高耐受無潤滑的工作條件、耐膠粘性及電氣特性方面的材料性能，為環(huán)保及節(jié)能做出貢獻是零部件表面處理工藝技術開發(fā)的今后課題。

［1］村上，ほか.［J］.トライボロジー，2010，272（4）：44.

［2］巖田，ほか.［C］.自動車技術會秋季學術講演會予稿集，2009：5228.

［3］鈴木，ほか.［C］.自動車技術會春季學術講演會予稿集，2013 （1）：66-13.

［4］宮川，ほか.［C］.トライボロジー會議春予稿集，2002：279.

［5］越智，ほか.［C］.自動車技術會秋季學術講演會予稿集，2003：277.

［6］菅原，ほか.［J］.防錆管理，2012，56（7）：253.

［7］松本，ほか.［C］.自動車技術會春季學術講演會予稿集，2006：5093.

［8］越智，ほか.［C］.自動車技術會秋季學術講演會予稿集，2006：5768.

［9］稲吉，ほか.［C］.日本トライボロジー學會秋予稿集，2002：227.

［10］栗山，ほか.［C］.自動車技術會春季學術講演會予稿集，2011 （19）：65-11.

彭惠民譯自機能材料，2014，34（2）

朱曉蓉校

朱曉蓉編輯

2015-01-27）