武 彬，李 駿，2，張俊彥，張 斌

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.中國第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，長春 130011；3.中國科學(xué)院 固體潤滑國家重點實驗室，蘭州 730000）

類金剛石（Diamond－like carbon，DLC）膜是一類非晶碳膜，具有低摩擦因數(shù)、高耐磨性、高硬度及高化學(xué)穩(wěn)定性。已被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子等領(lǐng)域［1］。DLC薄膜的低摩擦因數(shù)可以有效地降低發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件的摩擦損失，有利于發(fā)動機(jī)節(jié)能減排［2-4］。日本日產(chǎn)汽車公司最先將DLC薄膜用在汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)摩擦損失降低10%，燃油效率提高1%［5］。本文在中國第一汽車股份有限公司自主開發(fā)的CA4GA發(fā)動機(jī)的挺柱上沉積DLC薄膜，研究DLC薄膜摩擦磨損性能及其對發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)能量損失的影響。

1 DLC挺柱制備與試驗方法

1.1 DLC挺柱制備

采用磁控濺射的方法，利用氬氣和甲烷為氣源，在中國第一汽車股份有限公司自主研發(fā)的CA4GA發(fā)動機(jī)挺柱表面沉積類金剛石碳薄膜，制備條件如下：氣壓為0.6Pa；Ar流量為1.1×10－6m3／s；CH4流量為7.5×10－5m3／s；負(fù)偏壓為600V；占空比為20%；靶電流為18A；靶電壓為280V；時間為2.5h。

沉積之前先用等離子體清洗基底，以除去表面的殘留氧化物和其他雜質(zhì)，再鍍上一層150～200nm的硅過渡層以增加薄膜和基底的結(jié)合力。

DLC挺柱樣件在原機(jī)挺柱頂面及側(cè)面沉積DLC薄膜，DLC薄膜挺柱成品呈黑色，表面均勻光滑，硬度高，如圖1所示。

圖1 未沉積和沉積DLC的挺柱Fig.1 Un－coated and coated DLC tappets

1.2 試驗方法

為了檢測沉積DLC薄膜挺柱的摩擦磨損性能，在大氣氣氛下，以鋼球為對偶，利用多功能摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行測試。首先在CSM商用摩擦磨損試驗機(jī)上，在載荷為400N（接觸應(yīng)力是400 MPa，參照凸輪挺柱之間實際平均接觸應(yīng)力為392MPa而定）、點接觸模式、頻率50Hz的條件下，利用美孚10W－30型號潤滑油，測量原機(jī)挺柱樣件與鋼球之間的摩擦因數(shù)。在相同的試驗條件下，測量DLC挺柱樣件與鋼球之間的摩擦因數(shù)。在20N載荷條件下，重復(fù)測量零件的摩擦因數(shù)。在干摩擦條件下，利用多功能摩擦磨損試驗機(jī)檢測樣件耐磨性能。

利用CA4GA發(fā)動機(jī)缸蓋，搭建電動反拖配氣機(jī)構(gòu)試驗臺架（見圖2），模擬整機(jī)運轉(zhuǎn)工況。潤滑油溫度為室溫，潤滑油壓力為2×105Pa，使用電機(jī)反拖發(fā)動機(jī)凸輪軸，并使凸輪軸轉(zhuǎn)速由300r／min升高到2000r／min，對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由600r／min升高到4000r／min。利用轉(zhuǎn)矩傳感器及DEWETON數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的摩擦功耗。

試驗測試設(shè)備如下：YCT132－4B型電磁調(diào)速電動機(jī)用于拖動凸輪軸運轉(zhuǎn)；DEWE2600型DEWETRON數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)采集；LD1605－50型激光位移傳感器用于測量氣門動態(tài)升程；307型潤滑油控制裝置用于提供潤滑油及進(jìn)行潤滑油狀態(tài)控制。

圖2 配氣機(jī)構(gòu)試驗臺架Fig.2 Valve train test rig

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 薄膜性能測試

盡管試樣表面的粗糙度比較大，但由于類金剛石碳薄膜的非晶特性，使其能沿基底面形貌生長，可以沉積出連續(xù)、光滑、致密的薄膜，所沉積的薄膜厚度在4.6μm左右，如圖3所示。

圖3 DLC挺柱試樣的橫截面圖Fig.3 Crosssection graph of DLC tappet sample

原機(jī)挺柱材料為20CrMoH，頂面做碳氮共滲處理，層深0.3～0.6mm，頂面硬度為720～850HV。利用Hysitron TI－950型納米壓痕儀測定沉積后樣件硬度，如圖4所示。

圖4 DLC涂層硬度Fig.4 Hardness of DLC coatings

圖5 邊界潤滑摩擦因數(shù)曲線Fig.5 Friction coefficient curve of boundary lubrication

為檢測DLC薄膜的摩擦學(xué)性能，首先在CSM商用摩擦磨損試驗機(jī)上測量DLC薄膜挺柱與原機(jī)挺柱的摩擦因數(shù)。圖5顯示了載荷為400 N條件下的測量結(jié)果，這時被測零件與對偶鋼球之間為邊界潤滑，最接近挺柱的實際運行工況。測試結(jié)果表明：未加DLC薄膜的原件平均摩擦因數(shù)為0.3，DLC薄膜樣件平均摩擦因數(shù)為0.1，降低了約67%。觀察無DLC挺柱原件摩擦開始階段（running－in）的曲線特征可以發(fā)現(xiàn)，曲線出現(xiàn)比較嚴(yán)重的波動。這是因為在摩擦初始階段表面的粗糙度會影響摩擦因數(shù)的值，在磨合階段會把表面的凸出部分“磨平”，按照粗糙度的不同，產(chǎn)生的摩擦阻力也不一樣。摩擦的初始階段，DLC薄膜表面會發(fā)生磨損，產(chǎn)生一些小的磨屑，這些磨屑在摩擦副之間的相對運動中被擠壓、碾碎，最后被轉(zhuǎn)移到對偶球表面，形成轉(zhuǎn)移膜［6］。在轉(zhuǎn)移膜生成之后，滑動摩擦就主要發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和DLC薄膜之間，這層具有低剪切力的轉(zhuǎn)移膜的生成，有效降低了相對運動時的阻力，使DLC薄膜在穩(wěn)定摩擦期的摩擦曲線非常平穩(wěn)，摩擦因數(shù)和磨損率更低。薄膜內(nèi)部類石墨的團(tuán)簇數(shù)量和尺寸的增加以及薄膜的有序化過程同樣能夠降低摩擦因數(shù)［7］。DLC樣件的摩擦因數(shù)曲線相對光滑，表明發(fā)動機(jī)零件在實際工況下運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，有利于減小發(fā)動機(jī)的振動及噪聲。

在邊界潤滑條件下，載荷對薄膜摩擦因數(shù)的影響主要依賴于實際接觸面積的變化，見式（1）：

式中：μ為摩擦因數(shù)；S為薄膜的剪切強(qiáng)度；A為實際接觸面積；W 為法向載荷。

由于DLC薄膜在摩擦過程中結(jié)構(gòu)和硬度均沒有發(fā)生較大變化，因此可以認(rèn)為DLC薄膜的剪切強(qiáng)度S保持不變。這時，μ正比于A／W 的比值。隨著載荷的增加，A／W 比值逐漸降低，這是薄膜摩擦因數(shù)低的一個主要原因。

圖6 流體潤滑摩擦因數(shù)曲線Fig.6 Friction coefficient curve of hydrodynamic lubrication

圖6顯示載荷為20N條件下的摩擦因數(shù)曲線?？梢钥吹?，無DLC挺柱原件的摩擦因數(shù)為0.045左右，DLC薄膜樣件的摩擦因數(shù)同樣為0.045左右，二者很接近。這是因為在較低的測試壓力下（荷載為20N），測試樣件和對偶鋼球之間能形成有效的潤滑油膜，此時為流體潤滑，從而使摩擦副之間的摩擦行為變成油潤滑控制，薄膜自身的組成和結(jié)構(gòu)對摩擦因數(shù)的影響不大。

利用AEP三維表面輪廓儀分析磨痕形貌，在相同的摩擦條件下，經(jīng)過相同的時間，DLC挺柱和原機(jī)挺柱的磨損對比圖片如圖7所示。

從圖7可以看到，未沉積工件表面的磨痕非常明顯，表明發(fā)生嚴(yán)重的摩擦磨損行為，這是因為測試中所用的平均接觸壓強(qiáng)較高，導(dǎo)致基底在高壓下發(fā)生了塑性變形。而沉積DLC的工件表面磨痕非常窄并且淺，不易發(fā)現(xiàn)，表明零件抗磨損性能大幅提高。這種高載荷承受能力主要來源于類金剛石碳薄膜優(yōu)異的彈性恢復(fù)性能。另外，類金剛石碳薄膜的超彈性使其在有外壓存在的情況下容易變形［8］，其表面不會發(fā)生與普通材料類似的劇烈摩擦，這有利于降低摩擦因數(shù)和磨損率。特殊的微結(jié)構(gòu)賦予薄膜優(yōu)異的機(jī)械性能，保證薄膜在摩擦過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加對載荷的承受能力，提高薄膜的抗氧化性能，降低摩擦因數(shù)和磨損率。

圖7 磨損表面的微觀形貌Fig.7 Microgram of wear surface

2.2 配氣機(jī)構(gòu)臺架試驗

圖8 DLC薄膜挺柱Fig.8 DLC coating tappets

圖8顯示DLC挺柱與原機(jī)挺柱對發(fā)動機(jī)凸輪軸扭矩的影響。試驗結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)用DLC涂層挺柱后，凸輪軸扭矩平均降低6%。這是因為，凸輪和挺柱這對摩擦副承受著很高的比壓，即接觸應(yīng)力很高，在其運動中伴隨著振動和沖擊，潤滑條件惡劣，在高速時摩擦熱往往不能很好地散發(fā)。發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪和挺柱這對摩擦副不同于曲軸和軸瓦之間的油壓潤滑，不能很好地建立潤滑油膜，在凸輪挺柱的接觸處是處于邊界潤滑狀態(tài)。凸輪與從動件間的計算油膜厚度在低轉(zhuǎn)速區(qū)域小于1.0μm，比表面粗糙度值小得多，尤其會出現(xiàn)在凸輪某一轉(zhuǎn)角處機(jī)油夾帶速度為零的現(xiàn)象［9-10］。從圖8還可以看到，凸輪軸扭矩隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低，這是因為在發(fā)動機(jī)低速運轉(zhuǎn)且潤滑不足的條件下，凸輪挺柱摩擦副的摩擦損失加大，甚至?xí)霈F(xiàn)擦傷現(xiàn)象。DLC薄膜挺柱在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為600r／min時，能降低摩擦損失11%?？梢钥闯觯珼LC薄膜挺柱能有效降低發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失。

3 結(jié) 論

（1）CA4GA發(fā)動機(jī)挺柱沉積DLC薄膜后，在邊界潤滑的條件下，摩擦因數(shù)降低67%。

（2）在干摩擦條件下，經(jīng)過相同時間的摩擦磨損試驗，CA4GA原機(jī)挺柱表面的磨痕非常明顯，發(fā)生嚴(yán)重的磨損，而DLC薄膜挺柱表面磨痕非常窄并且淺，不易發(fā)現(xiàn)，耐磨損性能提高。

（3）發(fā)動機(jī)挺柱沉積DLC薄膜后，凸輪軸扭矩降低6%，從而可以降低發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失，降低發(fā)動機(jī)整機(jī)油耗和排放；可以提高發(fā)動機(jī)零件使用壽命和可靠性；為發(fā)動機(jī)其他零件應(yīng)用DLC涂層提供了依據(jù)。

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