DLC涂層改善氣門挺柱摩擦學性能的試驗研究

李偉軍　李周裕　王媛慧

上海汽車集團股份有限公司，上海，201804

DLC涂層改善氣門挺柱摩擦學性能的試驗研究

李偉軍李周裕王媛慧

上海汽車集團股份有限公司，上海，201804

為探求DLC涂層對氣門挺柱摩擦學性能的影響，制備了三種不同表面處理的氣門挺柱，搭建了配氣機構試驗臺架，對比分析了不同頂面處理方法的氣門挺柱在不同轉速和缸蓋溫度下的摩擦功耗；測試了試驗前后氣門挺柱和凸輪的表面形態，研究了DLC涂層表面特性及其耐磨損特性。試驗結果表明，DLC涂層能夠減小氣門挺柱表面粗糙度，含Si的DLC涂層表面粗糙度極??；氣門挺柱與凸輪之間的摩擦力矩隨著凸輪軸轉速上升逐漸減小，隨著缸蓋溫度上升逐漸增大；相對于傳統碳氮共滲氣門挺柱，DLC涂層能有效減小摩擦損失，含Si的DLC涂層能減小高達20%的摩擦損失；無涂層氣門挺柱和不含Si的DLC涂層氣門挺柱的耐磨性較差，含Si的DLC涂層具有極好的耐磨性。

汽油機；DLC涂層；氣門挺柱；摩擦學；配氣系統試驗臺架

0　引言

氣門挺柱是車用汽油機直接驅動型氣門機構中的傳動部件，與凸輪軸構成一個關鍵摩擦副。挺柱-凸輪摩擦副是發動機摩擦功耗的主要來源之一，同時不可避免地會產生磨損，影響發動機的經濟性和可靠性。因此，探求合適的氣門挺柱表面處理方式對減小摩擦、改善磨損具有重要的現實意義。

氣門挺柱-凸輪摩擦副具有較大的相對運動速度，且應力狀態惡劣，使氣門挺柱表面改性研究面臨很大的挑戰。而類金剛石(DLC)涂層能有效地降低摩擦損失、控制結構磨損，因此DLC涂層及其在氣門挺柱中的應用研究成為當前的熱點。黃國俊[1]對摻雜Si和Ge的DLC涂層進行研究，結果表明含Si或Ge的DLC涂層相比未摻雜Si和Ge的DLC涂層內應力降低，且硬度較高。藤井美橞[2]探求了不同DLC涂層的特性，并介紹了其在發動機活塞環、燃油噴射泵、齒輪齒面和氣門挺柱上的應用，指出含Si的DLC涂層能較大地提高電磁離合器的工作壽命。黃平等[3]在材料為20CrMo的發動機挺柱上利用多層梯度復合技術沉積了低摩擦類涂層CrTi/CrTiN/CrTiC/DLC，該復合涂層挺柱的磨損率為滲碳挺柱的1/6。武彬等[4]采用磁控濺射方法，制備了DLC薄膜涂層挺柱，研究了DLC涂層挺柱的摩擦學行為及其對發動機節能的影響，研究結果表明在實際使用工況下,配氣機構的摩擦損失降低6%。Hofmann等[5]的理論研究結果表明，含Si的DLC涂層(a-C∶H∶Si)比不含Si的DLC涂層(a-C∶H)具有更低的摩擦因數和更好的耐磨性。在配氣機構試驗臺架研究方面，劉忠民等[6]搭建了可以進行配氣機構動力學特性和耐久性試驗的臺架，且能控制缸蓋溫度和潤滑油溫度。

本研究制備了兩種不同類型的DLC涂層的氣門挺柱，將DLC涂層應用到氣門挺柱中，在摩擦分析臺架上測試了DLC涂層氣門挺柱的表面形態，并搭建了配氣機構試驗臺架，模擬了氣門挺柱實際工作承受的交變作用力，采用試驗手段對比研究了不同DLC涂層對氣門挺柱的摩擦學性能的影響，為改進氣門挺柱設計提供了新的思路。

1　理論介紹

1.1氣門挺柱

常見的氣門驅動方式主要有頂置凸輪軸直接驅動式和頂置凸輪軸末端支點式。直接驅動式氣門機構中凸輪通過機械挺柱直接驅動氣門運動，凸輪與氣門挺柱構成滑動摩擦副，其摩擦狀況遠遠嚴重于末端支點式摩擦狀況，且由于氣門彈簧力的作用，氣門挺柱與凸輪表面大部分時間都處于混合潤滑狀態[7-8]。因此機械式氣門挺柱最需要進行表面改性，是本文的研究對象。目前常用的氣門挺柱表面處理方式為碳氮共滲，DLC涂層作為一種新型表面處理方式也逐漸得以應用。

1.2DLC涂層

碳在自然界有兩種存在形式：金剛石和石墨。在金剛石結構中，每個碳原子都以sp3雜化軌道與另外四個碳原子形成共價鍵，形成一個正四面體。石墨結構中的每個碳原子外層電子以sp2雜化軌道和相鄰的三個碳原子形成共價鍵并排列成六角平面的網狀結構，這些網狀結構又構成互相平行的片層結構。DLC的結構混雜于金剛石結構(sp3)區域和石墨結構(sp2)區域，是屬于不具備特定晶體結構的非晶態結構。DLC涂層可分為含氫類金剛石(a-C∶H)涂層和無氫類金剛石涂層兩種。含氫DLC涂層中的氫原子含量在20%～50%之間，sp3成分小于70%。無氫DLC涂層中常見的是四面體非晶碳(ta-C)膜。ta-C涂層中以sp3鍵為主，sp3含量一般高于70%。

傳統的涂層具有起伏不平的表面形態，而DLC涂層表面粗糙度極小，因此表面摩擦因數低于0.1[7]，且耐磨損。

DLC成膜方法可大致分為化學氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)。DLC成膜原料可以選用氣態碳化氫和固態碳。以碳化氫氣體為原料產生的覆膜中含氫，而以固態碳為原料則可形成不含氫的覆膜。含氫量以及sp3與sp2的比例直接決定了薄膜的硬度、密度、內應力和密合性、摩擦磨損性能。DLC涂層待解決的問題主要包括確保密合性、改善摩擦磨損特性，確保成膜一致性和控制膜厚度等，因此改善工藝和原料具有重要意義。

2　試驗零件制備及試驗臺架搭建

2.1不同處理方式的氣門挺柱制備

為比較不同DLC涂層對氣門挺柱摩擦學性能的影響，本研究制備了三種不同表面處理的氣門挺柱，分別為頂面碳氮共滲挺柱(無涂層)、頂面不含Si的DLC涂層挺柱(涂層一)和頂面含Si的DLC涂層挺柱(涂層二)。兩種DLC涂層均采用物理氣相沉積法(PVD)+離子加強化學氣相沉積法(PACVD)形成，基體材料均為SCM415，分別形成a-C∶H和a-C∶H∶Si的功能層。

2.2配氣系統試驗臺架搭建

圖1為試驗臺架示意圖，試驗裝置主要包括電機、缸蓋總成、聯軸器、扭矩傳感器、機油溫度控制模塊和冷卻水模塊。試驗前按照實際發動機狀態(主要參數見表1)安裝缸蓋，對中電機軸線和凸輪軸軸線，并通過聯軸器連接電機和凸輪軸，機油加熱模塊在試驗前對機油進行預熱并在試驗過程中保持缸蓋為恒溫狀態。裝置通過特定的管道對缸蓋供油潤滑、供水冷卻。試驗過程中電機帶動正時機構或凸輪軸轉動，扭矩傳感器測量凸輪軸轉動消耗的扭矩。

(b)配氣機構摩擦扭矩測試裝置圖1　試驗裝置圖

項目參數發動機排量V(L)1.5氣缸數4凸輪軸布置形式雙頂置每缸進/排氣門數2/2氣門機構驅動形式直接驅動式氣門間隙c(mm)0.15油壓p(Pa)磨合階段:3×105測量階段:2×105缸蓋溫度T(℃)60,80,100

試驗分為磨合階段和測量階段。磨合又分為兩個階段，第一個階段電機驅動正時機構(圖2a)，正時結構帶動兩根凸輪軸轉動，直到測量出的扭矩TQ在20 h內變化在0.1 N·m之內，第二階段電機直接驅動凸輪軸單根凸輪軸(圖2b)，試驗時間為24 h。測量階段采集凸輪軸摩擦力矩。該試驗采用三種不同的氣門挺柱，即2.1中提到的無涂層、涂層一和涂層二。

(a)正時驅動(b)凸輪軸直接驅動圖2　正時驅動方式和凸輪軸直接驅動方式

3　試驗結果與分析

3.1試驗前表面形貌分析

1.無涂層　2.涂層一　3.涂層二圖3　氣門挺柱頂面粗糙度Rz1

為了比較不同DLC涂層改善挺柱表面特性的影響，試驗前測量了氣門挺柱和凸輪軸的表面粗糙度。圖3是試驗前三種不同挺柱的頂面粗糙度Rz1對比圖。由圖3可知，無涂層氣門挺柱整體Rz1高，1號進氣門(進1)和4號進氣門(進4)Rz1甚至達到0.4 μm以上，可以預知氣門挺柱-凸輪摩擦副摩擦因數高，而DLC涂層氣門挺柱具有相對較小的Rz1，只有具有涂層一的7號排氣門(排7)的Rz1要明顯高于無涂層氣門挺柱的Rz1，說明DLC涂層氣門挺柱具有降低表面摩擦因數的潛力。進一步分析發現，涂層一(a-C∶H)氣門挺柱Rz1分布相對分散，部分氣門挺柱Rz1接近0.1 μm，而另外一些甚至超過0.3 μm。除了4號排氣門挺柱，涂層二(a-C∶H∶Si)氣門挺柱Rz1一致性好，具有更好的表面形態。因此，從控制產品質量的角度講，含Si的DLC涂層具有更好的涂層表面質量。

圖4是試驗前三種不同挺柱對應凸輪軸的粗糙度Rz2對比圖。從圖4中可以看出，三個凸輪軸上對應各個氣門挺柱的凸輪Rz2集中在1.1～1.6 μm之間，只有少數幾個在范圍之外，雖然對應某個固定氣門挺柱的凸輪Rz2有明顯的差異，但是在工程上要制造出完全相同的凸輪也是不可能的，并且從統計的角度來講，可以認定凸輪軸三根凸輪軸的凸輪Rz2沒有明顯的差異，只是凸輪和氣門挺柱的隨機組合，摩擦力矩測試是整個凸輪軸的摩擦力矩TQ，因此，可以認為凸輪不會對試驗結果有影響。

1.無涂層　2.涂層一　3.涂層二圖4　凸輪軸表面粗糙度Rz2

3.2試驗摩擦扭矩分析

圖5是測量階段在不同機缸蓋溫度下的三種氣門挺柱的摩擦扭矩TQ對比圖。綜合圖5a～5f可知，隨著凸輪軸轉速提高，TQ逐漸減小，在低速階段下降梯度大，在2500 r/min以上，TQ趨于平穩，這是由于氣門挺桿和凸輪處于混合潤滑狀態，隨著轉速增大，潤滑作用體現更為明顯，油膜厚度增大，微凸體接觸減少，TQ減??；隨著機缸蓋溫度升高，TQ呈上升趨勢，這是由于溫度上升，機油黏度下降，相同載荷下油膜厚度下降，微凸體接觸更嚴重，TQ上升。

對比無涂層和有DLC涂層氣門挺柱對應的摩擦力矩TQ曲線可以發現，在全凸輪軸轉速范圍內，帶DLC涂層的氣門挺柱均能改善摩擦力矩，含Si的DLC涂層具有更小的TQ，體現出了低表面粗糙度的優勢。為定量分析DLC對摩擦力矩的貢獻度，本研究分析了80 ℃缸蓋溫度下，DLC涂層對減小氣門挺柱摩擦力矩TQ的貢獻程度，如圖6所示。對進氣門，使用涂層一，氣門挺柱TQ下降5%左右，且在低速段具有更為明顯的減小摩擦作用；使用涂層二氣門挺柱，TQ在低速和中速階段降低20%左右，在高速階段，經改進后下降到10%，這是因為在高速階段無涂層氣門挺柱本身摩擦狀態相對較弱。對排氣門，含Si的DLC涂層也表現出更好的減小摩擦效應，減小摩擦效率最高可達20%以上。

(a)60 ℃缸蓋溫度進氣門挺柱

(b)60 ℃缸蓋溫度排氣門挺柱

(c)80 ℃缸蓋溫度進氣門挺柱

(d)80 ℃缸蓋溫度排氣門挺柱

(e)100 ℃缸蓋溫度進氣門挺柱

(f)100 ℃缸蓋溫度排氣門挺柱1.無涂層　2.涂層一　3.涂層二圖5　不同涂層氣門挺柱消耗的摩擦力矩TQ

(a)進氣門摩擦力矩TQ減小百分比

(b)排氣門摩擦力矩TQ減小百分比1.涂層一　2.涂層二圖6　進排氣門摩擦力矩TQ減小

3.3氣門挺柱頂面磨損形態分析

磨損量是零件耐久性能的主要指標，對試驗前后的氣門挺柱狀態進行分析可以反映涂層的耐磨損性能。Liu等[9]的研究表明在200 ℃以下，DLC薄膜的磨損機制主要是塑性形變；在300 ℃左右，薄膜主要的磨損機制為斷裂和剝落。根據發動機機油的溫度來判斷，氣門挺柱DLC涂層的磨損機理表現為塑性變形。

雖然對不同涂層的氣門挺柱，磨合時間有一定的差異，但是根據磨損特性，在磨合階段磨損最為嚴重，而測試階段的磨損量較少，因此，試驗前后的磨損形態也能反映耐磨性。各個氣門挺柱磨損形態表現出一致的特性，本研究選取8號排氣門試驗前后對應的氣門挺柱表面形貌來研究磨損特性(圖7)。從圖中可以看出，試驗結束后，無涂層氣門挺柱和涂層一氣門挺柱頂面整體磨損量較大，且體現出局部磨損較大，試驗后氣門挺柱頂面更加不光滑，因此試驗后摩擦力矩相對試驗前會有所增大。而含Si的DLC涂層在試驗前后表面形貌幾乎沒有改變，只是局部更加光滑，因此，試驗后摩擦力矩TQ會相對試驗前有所減小。

(a)無涂層氣門挺柱

(b)涂層一氣門挺柱

(c)涂層二氣門挺柱圖7　試驗前后氣門挺柱磨損圖

3.4試驗后表面形貌分析

每個氣門挺柱對應的凸輪表面粗糙度Rz2不同，但是試驗前后Rz2整體趨勢的對比仍然具有一定的意義。圖8所示為試驗后與試驗前氣門挺柱頂面粗糙度Rz1和凸輪表面粗糙度Rz2對比，由圖8可知，對無涂層的氣門挺柱，試驗后氣門挺柱頂面變得更加粗糙，從圖7中也可以看出表面局部磨損嚴重，表面形貌更加不平滑；對不含Si的DLC涂層氣門挺柱，挺柱頂面整體變得更加光滑，但是8號排氣門更加粗糙，這也可以從圖7b中看出；對于含Si的DLC涂層氣門挺柱，挺柱頂面整體變得更加光滑，且一致性好。圖8b所示為試驗后凸輪表面粗糙度Rz2的變化，可以看出，除了涂層一對應的3號進氣門凸輪和無涂層對應的8號排氣門凸輪，其他凸輪表面略變粗糙，粗糙度增加0.7 μm左右。可見凸輪對不同的挺柱影響較小。

(a)試驗前后氣門挺柱頂面表面粗糙度Rz1

(b)試驗前后凸輪表面粗糙度Rz21.無涂層　2.涂層一　3.涂層二圖8　試驗前后表面粗糙度對比

4　結論

(1)具有DLC涂層的氣門挺柱頂面具有更小的表面粗糙度，一致性好，含Si的DLC涂層表面粗糙度僅為0.15 μm左右。

(2)氣門挺柱與凸輪之間的摩擦力矩隨著凸輪軸轉速上升逐漸減小，隨著缸蓋溫度上升逐漸增大。DLC涂層能有效減小摩擦損失，相對于傳統的碳氮共滲氣門挺柱，不含Si的DLC涂層能減小摩擦損失5%左右，含Si的DLC涂層能減小高達20%的摩擦損失。

(3)無涂層氣門挺柱和不含Si的DLC涂層氣門挺柱的耐磨性較差，含Si的DLC涂層具有極好的耐磨性。

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(編輯王艷麗)

Experimental Study on Effects of DLC Coating on Improvement of Tappet Tribology Characteristics

Li WeijunLi ZhouyuWang Yuanhui

SAIC Motor,Shanghai,201804

In order to analyze the effects of DLC coating on tribology characteristics of valve tappet, tappets with three different kinds of surface treatment were prepared and valvetrain mechanism test bench was built. Then friction loss of valve tappets with different valve tappet top surface treatment was tested under different oil temperature. Surface profiles of valve tappets and cams were tested before and after the experiments to study the surface characteristic and anti-wear ability of DLC coating. The results show that DLC coating can reduce surface roughness of tappet and DLC coating with Si has extremely small roughness. Friction torque between tappet and cam decreases as the rotation speed of camshaft gets bigger and increases when the oil temperature is higher. DLC coating can effectively improve friction loss. Compared with traditional tappet with carbonitriding, DLC coating with Si can cut down friction loss by as large as 20%. Tappets with no coating and with coating without Si have bad anti-wear ability, while DLC coating with Si has prefect wear resistance ability.

gasoline engine；DLC coating; valve tappet; tribology; valvetrain mechanism test bench

2014-01-08

TK415< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.05.024

李偉軍，男，1975年生。上海汽車集團股份有限公司技術中心工程師。主要研究方向為發動機本體設計。獲中國專利4項。發表論文2篇。李周裕，男，1987年生。上海汽車集團股份有限公司技術中心工程師。王媛慧，女，1982年生。南京汽車集團有限公司動力總成部工程師。