□ 吳燁卿 □ 謝 懿 □ 高海生 □ 祝生祥 □ 文靜波 □ 曹 均,4,5 □ 洪 松

1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211 2.上海祥生貝克軸瓦有限公司 上海 201317 3.蕪湖美達(dá)機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司 安徽蕪湖 241100 4.中國科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江寧波 315201 5.浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江寧波 315201

1 研究背景

目前,理想的汽車內(nèi)燃機(jī)需要具有功率大、體積小、功耗低、速度快等特點(diǎn),這對(duì)內(nèi)燃機(jī)軸瓦的工作條件提出了苛刻的要求。理想的軸瓦材料正朝著更高的抗疲勞強(qiáng)度,優(yōu)良的耐磨性、順應(yīng)性、嵌入性和耐腐蝕性,高載荷及高熔點(diǎn)等方向發(fā)展。一般而言,硬度高、承載能力強(qiáng)的軸瓦材料,其順應(yīng)性及嵌入性較弱;而材料越軟,則順應(yīng)性和嵌入性越強(qiáng),但承載能力相對(duì)越弱。為了提高內(nèi)燃機(jī)軸瓦的機(jī)械性能,盡可能滿足汽車制造業(yè)對(duì)軸瓦材料的各種使用要求,研發(fā)新型軸瓦合金材料及自潤滑涂層是當(dāng)前提高軸瓦機(jī)械性能的主要方法。

現(xiàn)階段,我國的內(nèi)燃機(jī)軸瓦合金材料主要分為巴氏合金、銅基合金及鋁基合金。對(duì)于現(xiàn)代汽車內(nèi)燃機(jī),Goudarzi[2]、Bora[3]等研究了干摩擦條件下巴氏合金的摩擦學(xué)性能。干摩擦狀態(tài)下,巴氏合金的摩擦因數(shù)為0.4～0.5。因抗疲勞強(qiáng)度較低、載荷能力不足,高性能的巴氏合金軸瓦還需高度依賴進(jìn)口[4]。銅基合金摩擦因數(shù)在0.25～0.6之間,雖然擁有較高的承載能力及較高的抗疲勞強(qiáng)度,但是在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量,降低基體強(qiáng)度及摩擦穩(wěn)定性,縮短使用壽命[5]。鋁基合金軸瓦抗疲勞強(qiáng)度和承載能力約為巴氏合金軸瓦的兩倍,自潤滑性、咬合性和順應(yīng)性高于銅基合金軸瓦,摩擦因數(shù)低于巴氏合金和銅基合金軸瓦,為0.2～0.25,是國內(nèi)外中輕載滑動(dòng)軸瓦的最主要材料[6]?？梢?單一合金的軸瓦已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)抗疲勞強(qiáng)度和咬合性的要求,且國內(nèi)軸瓦合金材料機(jī)械性能遠(yuǎn)低于國外。采用表面處理技術(shù)可以明顯提高軸瓦材料的機(jī)械性能,在國內(nèi),這一技術(shù)有一定的研究基礎(chǔ)[7]。相對(duì)于研發(fā)軸瓦合金材料,采用表面處理技術(shù)提高軸瓦機(jī)械性能是當(dāng)前最簡單有效的方法。筆者詳細(xì)介紹合金軸瓦表面新型涂層的研究,討論各種涂層技術(shù)的研究現(xiàn)狀,通過對(duì)比各種工藝及軸瓦表面涂鍍層性能,為未來內(nèi)燃機(jī)軸瓦的研究提供參考。

2 軸瓦涂層研究進(jìn)展

軸瓦在內(nèi)燃機(jī)啟停階段處于混合摩擦甚至干摩擦狀態(tài)[8],由巴氏合金、銅基合金及鋁基合金制備的軸瓦在干摩擦狀態(tài)下摩擦因數(shù)較高,這是導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)軸瓦磨損失效的主要因素之一[9]。為了提高內(nèi)燃機(jī)軸瓦的自潤滑性,降低摩擦耗能,延長使用壽命,通常在軸瓦合金材料上制備自潤滑涂層,目前主要的自潤滑涂層包括電鍍鍍層、磁控濺射薄膜及固體潤滑涂層[10]。

2.1 電鍍鍍層

電鍍鍍層原理如圖1所示,利用電鍍鍍層原理在軸瓦金屬表面鍍上一薄層其它金屬或合金,得到電鍍鍍層軸瓦[11]。

▲圖1 電鍍鍍層原理

在國內(nèi),應(yīng)用于減摩合金的電鍍鍍層技術(shù)起步較晚。20世紀(jì)60年代初,武漢材料保護(hù)研究所和海陵第一配件廠首次研究并制備出了用于快艇發(fā)動(dòng)機(jī)的電鍍鉛錫合金工藝。在電鍍鍍層軸瓦方面,20世紀(jì)70年代,上海合金軸瓦廠及上海滬東造船廠詳細(xì)研究了軸瓦電鍍合金工藝。1985年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中國船舶總公司四六六廠共同研發(fā)了鉛錫銅三元合金減摩層電鍍工藝,并應(yīng)用于鉛青銅滑動(dòng)軸瓦上。20世紀(jì)90年代,范家華[12]對(duì)電鍍鍍層的成分及其對(duì)鍍層性能的影響進(jìn)行了研究,并分析了鎳柵層、銅柵層的作用,提出了用盡量少的成本生產(chǎn)出高精度鍍層的方向。王會(huì)文等[13]提出了超聲除油工藝、酸洗工藝,來解決軸瓦電鍍?nèi)辖痤A(yù)處理方面的問題,并設(shè)計(jì)了電鍍掛具,從而獲得厚度穩(wěn)定均勻的鍍層。秦勝毅[14]在鋁基合金表面鍍一層成分為8%～12%錫、1%～3%銅、余量鋁的鋁-錫-銅三元合金,這一合金具有較高的抗疲勞強(qiáng)度及較好的順應(yīng)性,適用于高轉(zhuǎn)速中型柴油機(jī)軸瓦。吳文俊[15]研究了應(yīng)用于軸瓦減摩層的工藝參數(shù),以及電鍍液中有關(guān)成分含量對(duì)鍍層性能的影響,進(jìn)一步優(yōu)化了電鍍工藝,提高了電鍍鍍層的質(zhì)量。

電鍍技術(shù)在軸瓦鍍層上應(yīng)用最為廣泛,表1總結(jié)了各種電鍍材料性能的相對(duì)比較值,值越大代表性能越好。鍍層的基體成分為鉛,加入銅之后,材料的耐磨性及硬度得到提高,但抗腐蝕性能較差,加入銦可有效改善抗腐蝕性能。

表1 電鍍材料性能相對(duì)比較值

試驗(yàn)證明,鍍層中加入銅、錫,利用銅對(duì)錫的親和力,能保證錫不向基體擴(kuò)散,從而提高鍍層的耐磨性和硬度,改善鍍層材料的使用性能,延長使用壽命。傳統(tǒng)軸瓦裝機(jī)運(yùn)行的正常壽命為5 000 h左右,采用電鍍鍍層技術(shù)處理的軸瓦在運(yùn)行2 000 h后拆機(jī),發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面磨損現(xiàn)象明顯,導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)振動(dòng)及噪聲增大。此外,電鍍鍍層技術(shù)的應(yīng)用伴隨大量污水排放,造成環(huán)境污染。隨著國家節(jié)能減排政策的實(shí)施,環(huán)保法律的日趨嚴(yán)格,電鍍鍍層技術(shù)開始逐步被淘汰。

2.2 磁控濺射薄膜

為了提高內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行的可靠性,并減小運(yùn)行振動(dòng)及噪聲,軸瓦涂層在各項(xiàng)性能指標(biāo)方面需要進(jìn)行重大改進(jìn)。高性能、更長使用壽命的濺射軸瓦開始推廣。近年來,國外一些著名軸承公司將研究重點(diǎn)放在新材料方面,對(duì)軸瓦鍍層材料開展了一系列研究,研發(fā)了一種微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)良的軸瓦材料,其關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)內(nèi)燃機(jī)軸瓦濺鍍一層具有特殊組織結(jié)構(gòu)的超微晶體結(jié)構(gòu)材料。磁控濺射薄膜原理如圖2所示。磁控濺射薄膜使軸瓦具有極高的耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度,以及極佳的摩擦學(xué)特性[16]。

▲圖2 磁控濺射薄膜原理

在國內(nèi),磁控濺射薄膜技術(shù)的研究起步較晚,郭亞軍等[17-18]利用磁控濺射技術(shù)在滑動(dòng)軸瓦表面濺鍍了一層 A1Sn20薄膜,通過對(duì)薄膜表面形貌、組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合強(qiáng)度、硬度等方面進(jìn)行對(duì)比分析,基本達(dá)到國際著名公司軸瓦的性能指標(biāo)。2010年,吳文俊[19]通過研究明確了軸瓦自潤滑薄膜的磁控濺射工藝流程,基于試驗(yàn)優(yōu)化了影響濺射薄膜層附著強(qiáng)度、沉積速度、維氏硬度、減摩層斷面微觀形貌等的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。于佃榮[20]通過FJL560D2 型超高真空磁控與離子束多功能濺射鍍膜設(shè)備制備鋁-錫-銅耐磨薄膜,其硬度相比鋁-錫鍍層有顯著提高,并有效提高了軸瓦的耐磨性。郭巧琴[21]采用非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)在鋁合金鍍層表面沉積類石墨鍍層,試驗(yàn)表明,當(dāng)基體偏壓為-120 V時(shí),薄膜臨界載荷為42 N,維氏硬度(HV)最高達(dá)到235,摩擦因數(shù)為0.19。近年來,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所在磁控濺射薄膜技術(shù)方面開展了深入研究。關(guān)曉艷等[22]采用磁控濺射技術(shù)制備了不同鈦含量的二硫化鉬/鈦復(fù)合薄膜,在一定工況下,薄膜的摩擦因數(shù)低至0.02,磨損率低至10-17m3/(N·m),呈現(xiàn)出高承載、低摩擦、耐磨損的優(yōu)異摩擦學(xué)性能。王永軍等[23-24]利用非平衡磁控濺射技術(shù)在單晶硅基底上沉積類石墨非晶碳膜,承載能力高達(dá)2.8 GPa,摩擦因數(shù)為0.05,磨損率為10-17m3/(N·m),呈現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。劉肖琳[25]利用直流磁控濺射方法在AlSn20Cu的基體上濺鍍一層成分不同的鋁-錫-銅薄膜,從而提高了內(nèi)燃機(jī)軸瓦的硬度及耐磨性,延長了使用壽命。

表2總結(jié)了不同磁控濺射薄膜材料的性能。采用磁控濺射技術(shù)制備的軸瓦薄膜,耐磨性能出色,組織平整,與基體結(jié)合緊密,同時(shí)還能根據(jù)需求調(diào)節(jié)厚度,工藝過程可重復(fù)性好。當(dāng)然,磁控濺射技術(shù)設(shè)備較昂貴,操作復(fù)雜,制備厚度為15 μm的自潤滑薄膜需要超過22 h的時(shí)間,在商業(yè)化生產(chǎn)中效率不高,難以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求。

表2 磁控濺射薄膜材料性能對(duì)比

2.3 固體潤滑涂層

近年來,為了減少軸瓦涂層制備過程中的環(huán)境污染,節(jié)能減排,提高生產(chǎn)效率,推動(dòng)新型涂層軸瓦的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,世界知名軸瓦公司相繼開發(fā)用于內(nèi)燃機(jī)軸瓦的固體潤滑涂層技術(shù)。固體潤滑涂層技術(shù)的原理是將二硫化鉬、聚四氟乙烯等自潤滑粉末與樹脂、聚酰亞胺等黏結(jié)劑混合,制備自潤滑涂料,利用液體涂料噴涂技術(shù)在軸瓦表面噴涂,形成一層自潤滑涂層[26-27]。固體潤滑涂層工藝流程如圖3所示。

▲圖3 固體潤滑涂層工藝流程

奧地利米巴公司開發(fā)了以二硫化鉬和石墨為固體潤滑劑的聚合物涂層,噴涂在銅基軸瓦表面,形成軸瓦涂層,從而提高軸瓦的耐磨性和承載能力。美國菲特爾莫古公司研發(fā)了一種自潤滑聚合物涂層,基于復(fù)合自潤滑添加劑,噴涂于鋁基或銅基合金軸瓦表面。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這一涂層的耐磨性相比傳統(tǒng)軸瓦涂層提高將近4倍,引起了專家的關(guān)注[28]。在國內(nèi),汪專武[29]采用納米技術(shù),利用固體潤滑材料二硫化鉬和碳石墨制備了一種高性能復(fù)合涂層,噴涂在軸瓦的工作表面。測(cè)試表明,應(yīng)用這一涂層,軸瓦的承載能力和摩擦學(xué)性能均優(yōu)于應(yīng)用電鍍鍍層。安宇鵬[30]采用噴涂技術(shù)在鋁基和銅基合金軸瓦表面制備了一種新型聚合物基固體潤滑涂層,添加納米金屬氧化物和六方氮化硼/石墨等作為增強(qiáng)和潤滑相。試驗(yàn)測(cè)試表明,應(yīng)用這一涂層,軸瓦的潤滑性能和耐磨性能優(yōu)于或相當(dāng)于國外同類產(chǎn)品,有望解決汽車內(nèi)燃機(jī)啟停階段軸瓦磨損嚴(yán)重的問題。孟范蕾等[31]將聚苯并咪唑用作樹脂鍍層的基體,將固體潤滑劑二硫化鉬用作添加劑,開發(fā)出一種新型無鉛軸瓦材料。崔新然[32]將聚酰亞胺作為黏結(jié)劑,將納米氟碳作為潤滑相,輔以適量金屬氧化物作為增強(qiáng)相,制備出具有優(yōu)異性能的發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦聚合物復(fù)合涂層。測(cè)試結(jié)果表明,這一涂層具有良好的彈性回復(fù)能力,減摩耐磨耐候性能及滑動(dòng)摩擦穩(wěn)定性超越國外同類產(chǎn)品。

表3總結(jié)了不同固體潤滑涂層的性能。目前由于商業(yè)信息保密等原因,這方面很少有公開發(fā)表的最新研究成果,因此國內(nèi)固體潤滑涂層的制備仍處于探索階段,大多數(shù)國內(nèi)滑動(dòng)軸瓦廠家仍在使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行生產(chǎn),尚未解決進(jìn)口軸瓦的替代問題。為了解決內(nèi)燃機(jī)頻繁啟停過程中軸瓦磨損增大、快速失效問題,提升我國內(nèi)燃機(jī)軸瓦質(zhì)量及性能,應(yīng)盡快掌握新型固體潤滑涂層的工藝技術(shù)。

表3 固體潤滑涂層性能對(duì)比

3 對(duì)比討論

電鍍鍍層、磁控濺射薄膜、固體潤滑涂層三者工藝技術(shù)的對(duì)比見表4。電鍍鍍層工藝雖然應(yīng)用時(shí)間早,應(yīng)用范圍廣,生產(chǎn)效率較高,成本低,但是因含有鉛,存在高污染的問題,與我國當(dāng)前綠色發(fā)展的戰(zhàn)略不相匹配。此外,電鍍鍍層的耐磨性比較差,不能滿足我國供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革對(duì)供給端產(chǎn)品質(zhì)量提升的要求,因而面臨淘汰。磁控濺射薄膜技術(shù)雖然不存在環(huán)境污染問題,且耐磨性能好,但是相較于固體軟化涂層技術(shù),存在生產(chǎn)效率低、成本高的弊端,大大制約了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。相比較而言,固體潤滑涂層不僅無污染,耐磨性能好,生產(chǎn)效率高,而且可以使生產(chǎn)成本保持在較低水平。固體潤滑涂層自潤滑的特點(diǎn)能夠使加工后的產(chǎn)品在-30～250 ℃寬溫域范圍內(nèi)使用,有效降低摩擦因數(shù),提高承載能力。

表4 工藝技術(shù)對(duì)比

綜上所述,固體潤滑涂層不論是在環(huán)保性、生產(chǎn)效率,還是在耐磨性、成本問題方面,都比其它兩種涂層更具優(yōu)勢(shì)。加快對(duì)固體潤滑涂層技術(shù)的研發(fā)和突破,不僅能打破國外廠家的技術(shù)封鎖,而且能有效提升我國內(nèi)燃機(jī)軸瓦的質(zhì)量和性能,助推行業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)束語

為了提高內(nèi)燃機(jī)軸瓦的自潤滑性和耐磨性,延長使用壽命,筆者介紹了內(nèi)燃機(jī)軸瓦新型涂層的研究進(jìn)展。電鍍鍍層最早應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)軸瓦的制備,應(yīng)用最為廣泛,目前因?yàn)殡婂冨儗由a(chǎn)造成環(huán)境高污染、電鍍鍍層耐磨性較差等原因,逐步被淘汰。采用磁控濺射技術(shù)制備軸瓦薄膜,耐磨性能出色,但設(shè)備昂貴,在商業(yè)化生產(chǎn)中效率不高,難以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求。固體潤滑涂層技術(shù)作為一種新型軸瓦涂層制備技術(shù),能夠制備高性能涂層,是汽車摩擦學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要前沿課題。下一步的發(fā)展方向是探索自潤滑性能更加出眾的涂層材料,延長內(nèi)燃機(jī)的使用壽命,提高可靠性,同時(shí)不斷優(yōu)化工藝路線,推動(dòng)高性能軸瓦制備的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,以及軸瓦材料的更新?lián)Q代。