用于提高發(fā)動機(jī)部件效率的摩擦催化Mo-X-N涂層系統(tǒng)

L.DOBRENIZKI R.H.BRUGNARA S.TREMMEL S.WARTZACK

采用表面涂層是減少內(nèi)燃機(jī)摩擦損失的有效措施之一。在配氣機(jī)構(gòu)中，優(yōu)化挺柱和凸輪軸之間的摩擦接觸具有較高的技術(shù)潛力。Schaeffler公司提出了1種采用納米結(jié)構(gòu)的摩擦催化物理氣相沉積（PVD）涂層系統(tǒng)，可在受應(yīng)力作用的表面形成保護(hù)性摩擦膜。

摩擦;磨損;涂層;挺柱;效率

0 前言

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于摩擦和磨損等現(xiàn)象的存在，各類設(shè)備在運(yùn)作過程中約損失25%的能量。根據(jù)Holmberg等[1]的分析，在全球的交通、制造、發(fā)電和家庭應(yīng)用等4個領(lǐng)域，由摩擦接觸造成的能量損失可達(dá)119 EJ。其中，103 EJ用于克服摩擦，16 EJ用于制造因磨損而失效的組件。這些能量損失會對經(jīng)濟(jì)和生態(tài)造成重大影響[1-2]。由于降低CO2排放的需求與日俱增，因此減少車用發(fā)動機(jī)中因摩擦接觸造成的能量損失變得越來越重要。為了提高能效，物理氣相沉積（PVD）涂層系統(tǒng)已成功用于發(fā)動機(jī)高應(yīng)力部件[3-5]。以桶式挺柱和凸輪軸之間的摩擦接觸為例，雖然PVD涂層具有降低摩擦的潛力，但由于復(fù)雜的運(yùn)動學(xué)特性和不同的接觸壓力，對于涂層的要求也相對較高。1種新方法是采用由鉬、摩擦催化活性元素（X）和氮組成的納米結(jié)構(gòu)摩擦催化Mo-X-N PVD涂層系統(tǒng)。通過與基礎(chǔ)油及其添加劑的相互作用，該涂層系統(tǒng)可在受摩擦應(yīng)力作用的表面連續(xù)形成保護(hù)性摩擦膜。

1 涂層和潤滑劑

研究人員在銷盤式（PoD）摩擦計(jì)和單挺柱/單凸輪試驗(yàn)臺上，對由16MnCr5（AISI 5115）制成的機(jī)械挺柱開展了摩擦試驗(yàn)。在涂覆前，研究人員將氮碳共滲和硬化的挺柱進(jìn)行表面拋光，使其平均粗糙度Ra=0.02±0.002 μm，并采用了PVD技術(shù)沉積類金剛石碳（DLC）涂層和Mo-X-N涂層。在涂覆后，研究人員對采用DLC涂層的挺柱進(jìn)行了額外處理。試驗(yàn)采用了2種國際自動機(jī)工程師學(xué)會（SAE）黏度為0W20的機(jī)油和1種聚α烯烴合成油（PAO8）。各類樣品的特性如表1所示。

2 PoD摩擦計(jì)

研究人員通過PoD摩擦計(jì)評估了帶有涂層的挺柱的摩擦及磨損特性（采用PAO8和0W20機(jī)油）。為了開展試驗(yàn)，在環(huán)境條件下（T=19.8±1 °C，相對濕度（RH）=37.7±7.2 %），使其直徑=10 mm、平均粗糙度Ra =0.02 μm、HV10硬度=820±80、由100Cr6（AISI 52100）制成的球與帶涂層的挺柱進(jìn)行潤滑滑動接觸，分別在滑動速度v=0.1 m/s，摩擦半徑R=12.5 mm，滑動距離s=1 136.4 m和法向力F=40 N時保持恒定。在試驗(yàn)之前，研究人員通過吸移管將機(jī)油均勻地涂抹在挺柱表面，涂抹量為5 μL。

3 單挺柱/單凸輪試驗(yàn)臺

研究人員通過采用單挺柱/單凸輪試驗(yàn)臺，在PAO8潤滑條件下對帶涂層的挺柱的磨損特性進(jìn)行了研究（圖1）。該試驗(yàn)臺配備了配氣機(jī)構(gòu)組件，可確保應(yīng)力條件與實(shí)際應(yīng)用相似。這些組件包括從100Cr6（AISI 52500）凸輪軸上拆分的單個凸輪（HV10硬度=725±25，平均粗糙度Ra=0.5 μm）、1個機(jī)械挺柱和1個氣門彈簧。

研究人員根據(jù)針對第3類車輛的全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTC），在600～1 900 r/min的較低凸輪軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行磨損測量，循環(huán)時間為20 min。入口的油溫始終保持在90 °C左右。試驗(yàn)在邊界摩擦和混合摩擦下以較低的凸輪軸轉(zhuǎn)速運(yùn)行，通常會使發(fā)動機(jī)的摩擦損失達(dá)到最大，同時使表面的摩擦應(yīng)力更高[3-5]。經(jīng)過48 h的試驗(yàn)后，研究人員取出挺柱，通過共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）進(jìn)行磨損測量，然后重新安裝并再次進(jìn)行長達(dá)48 h的試驗(yàn)。試驗(yàn)時間總計(jì)達(dá)96 h后，研究人員再次通過CLSM來分析磨損。

4 采用PAO8基礎(chǔ)油的摩擦學(xué)研究

由PoD摩擦計(jì)試驗(yàn)可知，Mo-X-N涂層（最終平均值，靜摩擦系數(shù)μs=0.11）與無涂層樣品（μs=0.12）相比，在整個滑動路徑上的摩擦均得以顯著降低。正如預(yù)期，涂有DLC的樣品具有較小的靜摩擦系數(shù)（μs=0.09）。

圖2示出了無涂層樣品和帶Mo-X-N涂層的樣品在摩擦試驗(yàn)后的磨損痕跡表面及輪廓。采用拉曼光譜分析法（圖2中未顯示）開展的研究表明，在16MnCr5鋼表面的磨損痕跡中含有氧化鐵，這與氧化磨損有關(guān)。參考文獻(xiàn)[6]也指出了這種氧化磨損的機(jī)理。帶Mo-X-N涂層的挺柱并未檢測到磨損，承受摩擦應(yīng)力的區(qū)域僅出現(xiàn)了變色現(xiàn)象。拉曼光譜分析顯示，摩擦膜含有與無涂層樣品相似的氧化鐵成分。然而，與無涂層樣品相比，帶Mo-X-N涂層的樣品的摩擦膜雖含有氧化鐵成分，但并未檢測到磨損，并且摩擦性能也得到了有效改善。采用DLC涂層的樣品同樣也未檢測到磨損。

研究人員在單挺柱/單凸輪試驗(yàn)臺上采用PAO8，并進(jìn)行了摩擦學(xué)研究。圖3示出了無涂層挺柱、帶Mo-X-N涂層的挺柱和帶DLC涂層的挺柱分別在48 h和96 h試驗(yàn)后的表面輪廓和圖像。由于挺柱處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，研究人員在這2種情況下均可觀察到同心圓標(biāo)記。這些標(biāo)記表示挺柱在磨損試驗(yàn)期間，在混合潤滑和邊界潤滑條件下的運(yùn)行過程。無涂層挺柱在中心附近區(qū)域磨損較嚴(yán)重，這與超過800 MPa的最高接觸壓力有關(guān)。由此引起的較薄油膜厚度和最高滑動速度會導(dǎo)致磨料磨損現(xiàn)象的出現(xiàn)。然而，圖3 在單挺柱/單凸輪試驗(yàn)臺上采用PAO8進(jìn)行試驗(yàn)后，無涂層、帶Mo-X-N涂層和帶DLC涂層的挺柱的表面輪廓與圖像即使經(jīng)過96 h的試驗(yàn)，帶Mo-X-N涂層的挺柱也并未檢測到磨損。在摩擦應(yīng)力最高的區(qū)域也僅觀察到變色和輕微的表面拋光。研究人員在采用DLC涂層的挺柱上，僅觀察到輕微的表面拋光，并未檢測到磨損。

經(jīng)過96 h的試驗(yàn)后，研究人員對帶Mo-X-N涂層的挺柱的高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行了二次中性質(zhì)譜（SNMS）分析。結(jié)果表明，碳和氧主要分布在近表面區(qū)域（圖4（a）），拉曼分析證明了其表面存在氧化鐵化合物。碳的富集現(xiàn)象是涂層與PAO8相互作用的結(jié)果，由此促使了摩擦膜的形成。此外，表面區(qū)域明顯可見摩擦催化元素X，其直接關(guān)系到摩擦膜（由配對體和潤滑劑的材料成分組成）的形成，從而能防止表面磨損現(xiàn)象的出現(xiàn)（圖4（b））。

5 采用0W20機(jī)油的進(jìn)一步研究

為開展進(jìn)一步研究，研究人員在PoD試驗(yàn)中采用了2種不同的0W20機(jī)油（采用和不采用含鉬添加劑）研究納米結(jié)構(gòu)Mo-X-N涂層的摩擦特性。如圖5所示，與無涂層的拋光鋼表面相比，采用Mo-X-N涂層時的摩擦得以明顯改善。在機(jī)油不采用含鉬添加劑的情況下，摩擦降低了20%。與無涂層樣品相比，采用含鉬添加劑的機(jī)油可使摩擦進(jìn)一步降低約35%。這些結(jié)果表明，摩擦催化Mo-X-N涂層系統(tǒng)與含鉬潤滑劑相結(jié)合，在降低摩擦方面具有巨大潛力。

6 結(jié)論

采用PAO8時，由于形成了摩擦膜，所以納米結(jié)構(gòu)Mo-X-N涂層在PoD摩擦計(jì)試驗(yàn)和單挺柱/單凸輪試驗(yàn)臺中均表現(xiàn)出與DLC涂層相同的磨損特性。在純滑動條件下，Mo-X-N涂層上的摩擦膜由氧化鐵化合物組成。在混合與邊界摩擦條件下（高應(yīng)力的挺柱/凸輪接觸），Mo-X-N涂層上的摩擦膜由氧化鐵化合物和碳組成。

在PoD試驗(yàn)中，與無涂層的拋光鋼表面相比，Mo-X-N涂層與含鉬0W20機(jī)油的結(jié)合可使摩擦降低35%。這說明在邊界和混合摩擦條件下，納米結(jié)構(gòu)的摩擦催化Mo-X-N涂層具有提高發(fā)動機(jī)部件效率的巨大潛力。

[1]HOLMBERG K，ERDEMIR A.Influence of tribology on global energy consumption， costs and emissions[J]. Friction，2017（5）：263-284.

[2]HOLMBERG K，ERDEMIR A.The impact of tribology on energy use and CO2 emission globally and in combustion engine and electric cars[J]. Tribology International，2019， 135：389-396.

[3]SCHULZ E. Interactions between amorphous carbon coatings and engine oil additives： prediction of the friction behavior using optimized artificial neural networks[J]. Ceramic Engineering and Science Proceedings，2013，33（3）：209-224.

[4]DOBRENIZKI L.Efficiency improvement in automobile bucket tappet/camshaft contacts by DLC coatings-influence of engine oil， temperature and camshaft speed[J]. Surface and Coatings Technology，2016，308：360-373.

[5]KOCH F，GEIGER U.Reibungsanalyse der kolbengruppe im gefeuerten motortrieb[C]. 37. Tribologie-Fachtagung，1996.

[6]ERDEMIR A. Carbon-based tribofilms from lubricating oils[J]. Nature，2016，536：67-71.