黃平 *，張營(yíng)營(yíng)，張斌，范梅梅，李興杰，強(qiáng)力

（1.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 401120；2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱是配氣機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件，與凸輪軸構(gòu)成一對(duì)摩擦副。發(fā)動(dòng)機(jī)高速工作時(shí)，挺柱不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，承受很大的接觸應(yīng)力，其主要損壞形式為摩損、擦傷和 接觸疲勞破壞，要求表面具有很高的抗磨損、抗咬合和抗腐蝕性能[1]。

類金剛石(DLC)膜具有極高的硬度、低摩擦因數(shù)、高耐磨性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性，作為新型功能薄膜材料在機(jī)械耐磨涂層方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。豐田、福特等世界一流汽車企業(yè)在發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱上已廣泛應(yīng)用類金剛石薄膜，并擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱目前大多仍采用滲碳、滲氮、磷化、鍍鉻等傳統(tǒng)工藝，工作一段時(shí)間后，由于磨損大而導(dǎo)致配氣精度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)排放、油耗明顯上升。特別是大排量發(fā)動(dòng)機(jī)，為滿足國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)要求，只能選用德爾福、博世等國(guó)外巨頭生產(chǎn)的類金剛石薄膜挺柱，采購(gòu)價(jià)格高，且核心技術(shù)受制于人。

為發(fā)展民族品牌，打破國(guó)際壟斷，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低摩擦核心技術(shù)，采取生產(chǎn)企業(yè)和研究所產(chǎn)研合作方式，針對(duì)長(zhǎng)安公司自主開發(fā)的某2.0 L排量發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇其挺柱作為產(chǎn)業(yè)化研究的重點(diǎn)，開展了薄膜沉積研究、批量覆膜加工、性能測(cè)試分析等工作，取得了顯著的成果。

1 試驗(yàn)

1.1 樣件

覆膜加工采用精加工的半成品挺柱(材質(zhì)20CrMo，表面粗糙度Ra=0.4 μm，500 件)及304 不銹鋼(10 件)作為基材，覆膜挺柱的性能與滲碳挺柱成品(材質(zhì)20CrMo，滲層深度0.3～0.6 mm，30 件)進(jìn)行對(duì)比。

1.2 樣件覆膜加工

采用中科院蘭化所自主研發(fā)的高頻高功率脈沖磁控濺射沉積系統(tǒng)。半成品挺柱和304 不銹鋼分別在丙酮、乙醇中超聲清洗15 min，烘干后裝在三行星公轉(zhuǎn)樣品臺(tái)上，抽真空至3 × 10-3Pa，通入純氬氣(99.999%)對(duì)樣件濺射清洗5 min。然后調(diào)節(jié)氣體流量、電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行多層梯度復(fù)合薄膜的沉積，具體工藝參數(shù)見表1。

表1 磁控濺射多層梯度復(fù)合薄膜的工藝參數(shù)Table 1 Process parameters for magnetron sputtering of multilayered composite thin film

1.3 性能測(cè)試

采用日本電子株式會(huì)社的JSM-6700F 掃描電鏡(SEM)觀察挺柱覆膜后的斷面形貌，測(cè)量5 個(gè)位置的厚度，取其平均值。

采用中科院蘭化所自主研發(fā)的劃痕儀，在加載速度為100 N/min 時(shí)測(cè)量膜層的結(jié)合力。

采用美國(guó)CETR 的APEX 納米壓痕儀分別測(cè)試DLC 膜挺柱和滲碳挺柱表面的納米硬度，壓入深度為100 nm，各測(cè)量5 個(gè)點(diǎn)，取其平均值。

采用美國(guó)NANOVEA 公司的三維輪廓儀分別測(cè)試DLC 膜挺柱和滲碳挺柱的表面粗糙度Ra。

采用德國(guó)Optimol 公司的SRV-IV 微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試DLC 膜挺柱、滲碳挺柱和DLC 膜304 不銹鋼的磨損率。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀

圖1是挺柱覆膜前后對(duì)比照片。從圖1可以看出，挺柱表面利用多層梯度復(fù)合技術(shù)沉積DLC 薄膜后，顏色呈黑色或黑褐色，薄膜均勻、光滑、平整。

圖1 挺柱覆膜前后對(duì)比照片(左──覆膜前；右──覆膜后)Figure 1 Photo of tappet before (Left) and after (Right) sputtering

2.2 膜層結(jié)構(gòu)與厚度

圖2 挺柱覆膜后的SEM 斷面形貌Figure 2 SEM image of cross-section of tappet with DLC

圖2是挺柱覆膜后斷面形貌。從中可以看出膜層 由金屬層TiCr、碳氮金屬層TiCrN/TiCrC和功能層DLC組成，采用這種多層梯度復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)，有助于提高挺柱與DLC 膜的結(jié)合力。該復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)致密、厚度均勻，其總厚度為2.1 μm。

2.3 膜層結(jié)合力

利用劃痕儀測(cè)試了挺柱表面膜層與挺柱間的結(jié)合力，如圖3所示。在加載速度100 N/min 的情況下，金剛石探針劃到A 處時(shí)，薄膜被劃破，結(jié)合力約50 N，可以滿足挺柱實(shí)際應(yīng)用工況要求。

圖3 挺柱膜層結(jié)合力測(cè)試結(jié)果Figure 3 Test result of bonding strength of DLC thin film to tappet

2.4 硬度

采用納米壓痕儀分別測(cè)試了DLC 膜挺柱和滲碳挺柱的表面硬度。結(jié)果顯示，DLC 膜挺柱表面的硬度為13 GPa，滲碳挺柱表面的硬度為7.2 GPa：DLC 膜挺柱的硬度比滲碳挺柱的硬度提高了近1 倍。

2.5 耐磨損性

利用SRV-IV 微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)DLC 膜挺柱、滲碳挺柱和DLC 膜304 不銹鋼表面進(jìn)行耐磨損性試驗(yàn)，以Si3N4球?yàn)槟Σ翆?duì)偶，對(duì)磨1 h 后計(jì)算各件的磨損數(shù)據(jù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加載載荷為5 N時(shí)，經(jīng)DLC覆膜的挺柱和304不銹鋼的磨損率均為3.2 × 10-9mm3/(N·m)，滲碳挺柱的磨損率為5.5 × 10-9mm3/(N·m)；載荷為30 N時(shí)，DLC 膜挺柱的磨損率為5.4 × 10-9mm3/(N·m)，DLC 膜304 不銹鋼的磨損率為14.5 × 10-9mm3/(N·m)，滲碳挺柱的磨損率則達(dá)到了32 × 10-9mm3/(N·m)。由此可見，挺柱和304 不銹鋼經(jīng)過(guò)DLC 覆膜處理后，在不同載荷下的磨損率都比滲碳挺柱明顯降低。DLC 薄膜挺柱的磨損率在低載荷時(shí)約為滲碳挺柱的1/2，而在高載荷時(shí)僅為滲碳挺柱的1/6。

磨損試驗(yàn)后，采用三維輪廓儀觀察了DLC 膜挺柱和滲碳挺柱的表面磨損形貌，如圖4所示。從中可以看出，DLC 膜挺柱的表面磨損程度明顯小于滲碳挺柱的表面磨損程度。同時(shí)，利用三維輪廓儀測(cè)試了2 個(gè)試樣的表面粗糙度。結(jié)果顯示，DLC 膜挺柱的表面粗糙度為0.398 nm，滲碳挺柱的表面粗糙度為0.412 nm，說(shuō)明挺柱應(yīng)用DLC 薄膜后，其表面更光滑，可以降低摩擦磨損。

圖4 不同處理后的挺柱表面磨損形貌Figure 4 Morphologies of worn surface of tappets treated by different methods

3 結(jié)論

(1) 利用多層梯度復(fù)合技術(shù)在挺柱表面制備出了低摩擦類金剛石薄膜，其硬度達(dá)13 GPa，結(jié)合力約50 N，磨損率降低到滲碳挺柱的1/6，預(yù)計(jì)裝機(jī)后耐磨損壽命提高3 倍以上。

(2) 該技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并實(shí)現(xiàn)了挺柱批量化覆膜加工，有望在發(fā)動(dòng)機(jī)主要摩擦副(如氣門、凸輪、活塞環(huán)、曲軸等)上推廣應(yīng)用，可為開發(fā)環(huán)境友好的新型發(fā)動(dòng)機(jī)提供技術(shù)保障，提高自主品牌汽車在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]彭德豹,孫澤濤.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010:113-118.

[2]張廣安,王鵬,陳友明,等.中頻磁控濺射沉積含鋁類金剛石碳膜結(jié)構(gòu)及其摩擦磨損性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2008,28 (2):118-122.