高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞裙部固體潤滑劑涂層的抗摩擦性能評價

K.V.GAVRILOV A.V.MOROZOV M.V.SELEZNEV Y.V.ROZHDESTVENSKIIN.A.KHOZENIUK A.A.DOIKIN V.S.HUDYAKOV

比較了固體潤滑涂層在高強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)活塞裙-缸套耦合中降低摩擦和提高抗拉傷的耐摩擦性能。以高純硫化鉬和石墨為基礎(chǔ)的聚合物粘結(jié)劑制成的各種改性涂層沉積于零件表面，并以石墨基涂層作為參考樣品，成功地應(yīng)用于重型車輛柴油機(jī)的鋼活塞上。該研究在摩擦溫度為110 ℃、正常負(fù)荷為50～450 N、往復(fù)頻率為20.0 Hz的條件下進(jìn)行，這與柴油機(jī)摩擦電偶的運(yùn)行條件相似。分析結(jié)果表明，沉積的所有涂層顯著降低了摩擦系數(shù)，在同時含有二硫化鉬和石墨的有些涂層，其摩擦系數(shù)可降至0.12～0.14，符合在潤滑材料存在或不存在直接金屬接觸的2種摩擦狀態(tài)下摩擦表面的接觸條件。

固體潤滑涂層;拉傷;磨損;活塞裙部;石墨脂;鉬脂

0 前言

研究人員對發(fā)動機(jī)的摩擦損失進(jìn)行評估后，發(fā)現(xiàn)有高達(dá)66%的摩擦損失主要來自于活塞裙部、活塞環(huán)和軸承，剩余34%的摩擦損失則來自于配氣機(jī)構(gòu)和傳動[1]。值得注意的是，文獻(xiàn)[2，3]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明了活塞-缸套和活塞環(huán)-缸套所對應(yīng)的摩擦損失占到了內(nèi)燃機(jī)總摩擦損失的45%～50%。因此，當(dāng)摩擦損失超過這一比例時，需要為發(fā)動機(jī)提供1種流體動力摩擦模式，并使用降低摩擦的涂層。

涂層材料可用于降低摩擦系數(shù)，從而降低燃料的消耗。因此，它們在特定的運(yùn)行條件下能夠避免摩擦表面增加磨損和拉傷，這對發(fā)動機(jī)的有效運(yùn)行具有特殊的意義[4]。確切地說，涂層材料的這些特性可避免發(fā)動機(jī)發(fā)生因冷起動導(dǎo)致的噴油不足，因缸套的機(jī)械或熱應(yīng)變導(dǎo)致的局部間隙缺失，因燃油污染導(dǎo)致的機(jī)油潤滑能力不足，出現(xiàn)極高的工作溫度、潤滑材料過度氧化等現(xiàn)象。在采用高強(qiáng)化柴油機(jī)的情況下，活塞會產(chǎn)生高熱應(yīng)變，這是由于特定的工作循環(huán)、混合摩擦和邊界摩擦模式所導(dǎo)致的。在這種情況下，活塞裙部的摩擦和磨損過程也增加了多樣性[5]。因此，增加涂層材料的抗摩擦性能[6-8]和改善活塞表面的初步工藝制備特性，對提升涂層與基體的附著力至關(guān)重要。

基于石墨、錫、鐵、磷酸鋁[9]等成分，如石墨浸潤合成樹脂（Grafal/EvoGlide）涂層、錫涂層、表面鍍鐵涂層等，被稱為活塞裙涂層。Grafal/EvoGlide涂層的厚度接近20 μm，在聚合物基體中摻入有細(xì)小的石墨顆粒，并因基體材料粘結(jié)劑的成分不同而特性不同。需要指出的是，Grafal/EvoGlide涂層適用于各種類型的內(nèi)燃機(jī)和活塞材料。錫涂層和以磷酸鋁為基礎(chǔ)的涂層，其適用性僅限于由鋁合金制成的活塞。以磷酸鐵為基礎(chǔ)的涂層可用于鋼和鋁活塞，這種涂層可以減少15%～30%[10]的摩擦。而以石墨和/或二硫化鉬為基礎(chǔ)的特殊分層固體潤滑涂層的沉積也是眾所周知的[9-10]。在文獻(xiàn)[10]中，研究人員提出了1種用于高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞裙部的聚合物-石墨的復(fù)合涂層，并分析了不同牌號機(jī)油對該涂層耦合性能的影響狀況。在文獻(xiàn)[6]中，研究人員提出了1種基于石墨的固體潤滑涂層，該涂層對減少摩擦、保護(hù)活塞裙、防止活塞環(huán)磨損和拉傷等都起到了積極的作用。因此，研究人員提出，應(yīng)更關(guān)注于涂層沉積前對摩擦表面的初步制備過程，尤其是磷酸錳涂層，它不僅提高了涂層的附著力，而且還具有改善摩擦表面硬度等特性[7]。

需要指出的是，大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)摩擦系統(tǒng)使用的是固體潤滑涂層，特別是活塞裙使用的固體潤滑涂層是進(jìn)口的，因此這種固體潤滑涂層及其沉積技術(shù)與逐步淘汰進(jìn)口涂層的問題是密切相關(guān)的。

本研究主要通過試驗(yàn)，對用于降低內(nèi)燃機(jī)活塞裙-缸套摩擦磨損且具有抗磨損性的固體潤滑涂層的抗摩擦性能進(jìn)行研究。本文僅針對基于各種聚合物粘結(jié)劑與固體潤滑抗磨填充物組合生成的涂層的效果進(jìn)行評估，并進(jìn)一步對涂層研究的合理性進(jìn)行評價，其目的在于調(diào)查涂層的磨損壽命。

1 材料和方法

本試驗(yàn)選擇了基于聚合物粘結(jié)劑的固體潤滑涂層、高純二硫化鉬及石墨等材料進(jìn)行分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有涂層在活塞裙部表面沉積后，其厚度小于20 μm，這將會在新發(fā)動機(jī)滑動表面磨合時，以及在冷起動期間出現(xiàn)“缺油”模式時提供刮傷阻力。在本文中，涂層是通過帶有粘結(jié)物質(zhì)和溶劑的固體潤滑材料保持懸浮，并通過陰極真空噴鍍的方法來實(shí)現(xiàn)沉積的。研究人員選擇了4組耐磨涂層進(jìn)行試驗(yàn)，這些涂層由不同粘結(jié)劑聚合物和不同組分的混合物組成。這4組試樣的組分情況分別如下：第1組涂層是基于32%的石墨與聚酰胺-酰亞胺粘合劑固化加熱而成（試樣編號為1007）;第2組涂料是以8%的石墨和28%的二硫化鉬為基材，以苯酚甲醛為粘結(jié)劑，經(jīng)高溫固化而成（試樣編號為1003）;第3組涂層是以3%的石墨和21%的二硫化鉬為基材，以聚酰胺-酰亞胺為粘結(jié)劑，加熱固化而成（試件編號為1066）;第4組涂層是以4%的石墨和26%的二硫化鉬為基材，以聚酰胺-酰亞胺為粘結(jié)劑，加熱固化而成（試件編號為1006）。在涂層固化后，研究人員發(fā)現(xiàn)在試樣表面形成了1層較薄的組合膜，它可代表粘結(jié)劑物質(zhì)的基體。此外，研究人員在基體組織中也發(fā)現(xiàn)了含有層狀固體潤滑材料的高分散顆粒，如石墨和/或二硫化鉬。所有涂層的工作溫度浮動范圍可達(dá)250 ℃。

國外制造商生產(chǎn)的涂層（涂層編號為0010），因其可廣泛用于保護(hù)重型車輛柴油機(jī)鋼活塞裙以防止磨損加劇，所以研究人員也將其作為參考樣本。研究人員通過FEI Quanta 650型掃描電子顯微鏡，測定了該涂層的化學(xué)成分主要成分是碳，且涂層中不含鉬。研究所用的涂層0010號試樣是在商用柴油發(fā)動機(jī)鋼活塞的裙部通過銷釘切割得到的。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，研究人員為了消除試驗(yàn)涂層，對試樣表面進(jìn)行了噴砂處理，然后再沉積1層固體潤滑涂層。為了提高耐磨性，研究人員對3～6組試樣（表1）的金屬表面進(jìn)行了噴砂磷酸錳涂層處理。需要注意的是，涂層的耐磨性主要取決于它們與基材的附著力。因此，噴砂處理消除了屏蔽膜和活化表面，但磷酸鹽涂層則額外形成了1個多孔的子層，其厚度接近3 μm，從而增強(qiáng)了附著力。

研究人員在同1臺高強(qiáng)化發(fā)動機(jī)的缸套（材質(zhì)密度 ρ 為7 000 kg/m3 的合金鑄鐵）上切取材料作為1號涂層試樣。另外，研究人員在氣缸套試樣的工作表面進(jìn)行了珩磨加工。

根據(jù)平板相對于壓在其上的固定銷試樣進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的運(yùn)動方案，研究人員在實(shí)驗(yàn)室摩擦計上完成了測定摩擦系數(shù)的試驗(yàn)（圖1）。摩擦計的工作原理在文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)介紹。

測試前，研究人員將試樣及板的表面先后置于Galosha油溶劑、乙醇中清洗，然后再將它們置于超聲波?。⊿apfir 2.8）中清洗5 min，以消除污染。測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)摩擦電偶并沒有磨合，這是因?yàn)樵谀ズ铣善钒灞砻娴墓虘B(tài)潤滑涂層顆粒對板表面的磨蝕和磨損都發(fā)生在磨合階段。為了更接近柴油機(jī)的實(shí)際工況，了解柴油機(jī)在臨界工況下的短期邊界摩擦模式，本文沒有考慮磨合階段的情況。

涂層摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)是在50～450 N的負(fù)荷范圍內(nèi)，以100 N為步進(jìn)，且負(fù)荷逐漸增大的狀況下進(jìn)行的。摩擦計上的最大負(fù)荷對應(yīng)于高強(qiáng)化柴油機(jī)的比負(fù)荷臨界值。研究人員將樣件和板安裝在摩擦計支架上，用蓋子密封熱室，并將摩擦副加熱至105～115 ℃，隨后暴露在空氣中超過（60±5）min，從而確定了這個溫度是模擬所研究材料的運(yùn)行條件。由于板的往復(fù)頻率是恒定值，其頻率為20.0 Hz，位移幅值為6 mm，研究人員選取了每個加載值的測試時間為5 min。因此，1個帶涂層試樣的完整測試時間超過25 min。需要注意的是，研究人員之所以選用20.0 Hz的頻率，是因?yàn)槟Σ劣嬛信渲玫膹埩y量傳感器能夠可靠地測量出0.1～20.0 Hz范圍內(nèi)的板振蕩頻率下的摩擦力。隨著反固體位移頻率的增加，研究人員發(fā)現(xiàn)所記錄的摩擦力的實(shí)際值會出現(xiàn)邊界緊縮。研究人員通過試驗(yàn)中記錄的法向力、磨損固體的處理方式、摩擦力、路徑及聲發(fā)射等數(shù)據(jù)，也間接證明了在摩擦副中存在涂層，說明了儀器測量系統(tǒng)的摩擦是相互作用的。

在本研究中，研究人員對未受涂層保護(hù)的試樣進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，并對在有機(jī)油浸潤的情況下連接器中的摩擦副進(jìn)行了對比試驗(yàn)。第1種測試是通過噴砂去除試樣表面的涂層，第2種測試是在板的表面加入2～4 mL粘度為SAE 5W40的機(jī)油。為了再現(xiàn)真實(shí)的工狀并得到可靠的結(jié)果，研究人員共進(jìn)行了3次試驗(yàn)。

2 結(jié)果和討論

圖2顯示了摩擦系數(shù) μ 對正常負(fù)荷 F 的典型依賴關(guān)系。這是在110 ℃的溫度、板的往復(fù)頻率恒定為20.0 Hz的情況下得到的。需要注意的是，在連接器有機(jī)油存在的情況下，有無涂層的試樣的摩擦系數(shù)沒有變化，因此，圖2僅顯示了1種使用了潤滑材料涂層變體的結(jié)果（樣品編號為1）。

為了獲得可靠的數(shù)據(jù)，研究人員進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，每個系列都代表了新制備的樣本。研究人員還對試驗(yàn)得到的圖表進(jìn)行了統(tǒng)計分析處理，表1和圖3給出了所有試樣摩擦系數(shù)的計算平均值及其變化范圍。

研究人員通過分析摩擦系數(shù) μ 與正常負(fù)荷 F 的關(guān)系（圖3）。結(jié)果表明，隨著負(fù)荷的增加，涂層的摩擦系數(shù)均減小。這是由石墨或二硫化鉬的固體潤滑涂層所固有的特性決定的。在這種情況下，金屬基體表面（樣品編號為2）上沒有磷酸錳涂層將導(dǎo)致耐磨性降低。這組試樣在350～450 N高負(fù)荷作用下的試驗(yàn)表明，試樣的摩擦系數(shù)不僅會增大，而且研究人員還觀測到試樣表面涂層出現(xiàn)了快速斷裂。在試驗(yàn)過程中，研究人員收集到了相互作用的材料在接觸時產(chǎn)生的聲發(fā)射數(shù)據(jù)。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員得出了有涂層試樣的聲輻射比無涂層試樣少70%的結(jié)論，這也說明了摩擦過程是持續(xù)的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，將二硫化鉬引入涂層（試樣組分別為1003、1066、1006）會導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低（圖3），相關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)已證實(shí)了基于二硫化鉬的材料具有最高粘附強(qiáng)度，從而使這種效應(yīng)合理化。換言之，隨著接觸壓力的增加，這種涂層可以更有效地減少摩擦，這對內(nèi)燃機(jī)活塞組的缸套來說是1個優(yōu)勢。隨后，研究人員用聚酰胺-酰亞胺樹脂作為粘結(jié)劑（1006組試樣）與用酚醛樹脂作為粘結(jié)劑（1003組試樣）進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)1006組試樣涂層的摩擦阻力有一定的提高，具有邊際優(yōu)勢。為合理提高0010試樣涂層的摩擦系數(shù)，研究人員用Jeo1 JSM-7001掃描電子顯微鏡在50～5 000倍變焦下對試驗(yàn)后的試樣表面進(jìn)行了觀測（圖4），并用安裝在顯微鏡上的Oxford INCA X-max 80能量分析儀對涂層進(jìn)行了 X 射線熒光分析。光譜儀分析了原子序數(shù)為5（B）～92（U）的元素，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行，靈敏度為0.1%，這是測試分析所必需的儀器。

通過對涂層1試樣斷面的顯微組織分析（圖4），研究人員得出以下結(jié)論：（1）涂層沉積采用磷酸錳涂層，其厚度接近3 μm;（2）測試后將涂層保留在試樣上，其與磷酸錳子層的厚度接近10 μm。因此，可以認(rèn)為摩擦系數(shù)的增加與涂層中保留石墨顆粒的聚合物粘結(jié)劑的性質(zhì)有關(guān)。

3 結(jié)論

為了研究高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞裙面涂層材料的摩擦和刮傷風(fēng)險，研究人員對無潤滑材料的暴露在短期邊界且均勻干摩擦的涂層進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

研究表明，涂覆有固體潤滑涂層試樣的摩擦系數(shù)比無涂層試樣的低，但刮傷風(fēng)險比無涂層試樣的高。研究人員在苯酚-酰甲醛粘結(jié)劑和聚酰胺-酰亞胺粘結(jié)劑的基礎(chǔ)上，同時加入石墨和二硫化鉬的涂層，可使高強(qiáng)化柴油活塞裙部的摩擦損失降低5倍，并可提高活塞裙部的使用壽命。需要注意的是，不添加二硫化鉬的涂層具有較大的摩擦系數(shù)。

為了研究活塞-缸套摩擦副的工作情況，研究人員還需要對活塞裙部和缸套的摩擦特性進(jìn)行一系列額外的試驗(yàn)，以評估其摩擦表面的磨損強(qiáng)度。在這種前提下，研究人員應(yīng)特別注意在各種具有流變特性的機(jī)油中存在潤滑材料的情況，并且需要研究帶有固體潤滑涂層的關(guān)聯(lián)試樣的運(yùn)行條件。

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劉 濤 譯自 Friction and Wear，2020，41（5）

吳 玲 編輯

（收稿時間：2021-02-18）