潤(rùn)滑性硬質(zhì)覆膜在發(fā)動(dòng)機(jī)零件上的應(yīng)用

【日】 神崎昌郎

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潤(rùn)滑性硬質(zhì)覆膜在發(fā)動(dòng)機(jī)零件上的應(yīng)用

【日】 神崎昌郎

近年來，類金剛石碳覆膜等涂層材料因具有低摩擦特性及優(yōu)異的耐磨損性，在汽車零部件上的應(yīng)用已越來越普及，但在覆膜與基材之間密合性及耐熱性方面仍存在一些有待解決的課題。作為在高溫高壓等苛刻條件(如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室附近)下工作的滑動(dòng)部件表面處理工藝，介紹了TiN-MoS2復(fù)合覆膜的特性及其成膜工藝。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，利用Ti中間層形成TiN-MoS2復(fù)合覆膜后，可提高覆膜與基材之間的密合性，并兼顧高硬度與高潤(rùn)滑性的性能要求。

發(fā)動(dòng)機(jī) 滑動(dòng)部件 潤(rùn)滑性硬質(zhì)覆膜 TiN-MoS2復(fù)合覆膜

0 前言

在機(jī)械系統(tǒng)中，賦予材料低膠粘性、低摩擦特性、高耐磨損性及耐熱性的表面改性技術(shù)是必不可少的，目前已有TiN、TiC、CrN，以及類金剛石碳(DLC)覆膜等涂層工藝被應(yīng)用于各種機(jī)械系統(tǒng)的滑動(dòng)部件上。尤其是近年來，在全球氣溫上升及資源日益枯竭等環(huán)境因素的影響下，以及在能源問題令人堪憂的嚴(yán)峻形勢(shì)下，降低汽車燃油耗的要求越來越迫切。以降低發(fā)動(dòng)機(jī)中滑動(dòng)部件摩擦、改善燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，DLC覆膜的應(yīng)用范圍日漸擴(kuò)大。另外，近年來，對(duì)于在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等高溫高壓環(huán)境下工作的潤(rùn)滑性硬質(zhì)覆膜的需求也在不斷提高。本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中滑動(dòng)部件所用的TiN-MoS2復(fù)合覆膜，介紹其基本特性及成膜工藝。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件用TiN-MoS2復(fù)合覆膜

具有低摩擦特性及高耐磨損性的DLC覆膜在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件上的應(yīng)用得到不斷發(fā)展。但由于DLC覆膜具有較高的內(nèi)部應(yīng)力，同時(shí)其主要構(gòu)成元素為碳，所以覆膜與基材之間密合性較差，耐熱性不佳。目前，研究人員正通過各種途徑嘗試解決上述問題，但對(duì)于在高溫高壓等苛刻環(huán)境下工作的燃燒室周邊滑動(dòng)部件而言，DLC工藝仍是不太適用的。

因此，本次研究中，以耐熱性和密合性均優(yōu)于DLC覆膜的TiN覆膜為基礎(chǔ)，開發(fā)了生成新型潤(rùn)滑性硬質(zhì)覆膜的方法，并探討了該新型覆膜在難以應(yīng)用DLC覆膜的苛刻環(huán)境下應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件的可能性。

試驗(yàn)中，使用預(yù)先均勻混合TiN與MoS2的復(fù)合靶，以探索在MoS2低含量條件下TiN-MoS2復(fù)合覆膜的低摩擦特性作為研究目標(biāo)。此外，通過將具有化學(xué)活性的Ti作為中間層，嘗試提高TiN-MoS2復(fù)合覆膜與基材之間的密合性。

利用直流磁控濺射法形成TiN-MoS2復(fù)合覆膜。本次試驗(yàn)中，為了提高濺射法成膜時(shí)MoS2的分散性，使用在TiN中按規(guī)定量混合MoS2的加熱燒結(jié)性復(fù)合靶(TiN+MoS2(10%、20%、30%)的復(fù)合靶)。在基材溫度350 ℃條件下形成的TiN-MoS2復(fù)合覆膜密合性高且磨損量少，本文將介紹相關(guān)的研究結(jié)果。另外，考慮到預(yù)備試驗(yàn)的結(jié)果及裝置規(guī)格，設(shè)定對(duì)復(fù)合靶的加載電力及基礎(chǔ)壓力等各種成膜條件(表1)。

表1 TiN-MoS2復(fù)合覆膜的成膜條件參數(shù)

圖1示出了TiN-MoS2復(fù)合覆膜的顯微硬度及剝離臨界載荷。MoS2含量為6%的TiN-MoS2復(fù)合覆膜具有25GPa的高硬度，可與TiN覆膜(27GPa)相媲美。此外，隨著MoS2含量的增加，覆膜的硬度呈降低趨勢(shì)，但即使MoS2含量增加至22%，TiN-MoS2復(fù)合覆膜的硬度能達(dá)到17GPa。這種復(fù)合覆膜具有較高的潤(rùn)滑性，能夠兼顧高硬度與高潤(rùn)滑性的性能要求。此外，由于最初獲得的TiN-MoS2復(fù)合覆膜中氮含量不足，因此，在成膜時(shí)引入N2氣體，并促進(jìn)Ti與氮的結(jié)合，以進(jìn)一步提高覆膜的硬度。

如圖1所示，利用劃痕試驗(yàn)法得到的結(jié)果表明，TiN-MoS2復(fù)合覆膜的剝離臨界載荷(密合性)是隨著MoS2含量的增加呈上升趨勢(shì)的，MoS2含量為22%的復(fù)合覆膜具有與TiN覆膜的密合性大致相等。如前文所述，隨著MoS2含量的增加，覆膜的顯微硬度是降低的，因此認(rèn)為，覆膜的內(nèi)部應(yīng)力緩和可能是TiN-MoS2復(fù)合覆膜密合性獲得改善的主要原因。

圖2示出了TiN-MoS2復(fù)合覆膜的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化。為進(jìn)行對(duì)比，圖2中同時(shí)示出了利用高頻等離子體化學(xué)汽相沉積(CVD)法形成的DLC覆膜的摩擦因數(shù)。結(jié)果顯示，TiN-MoS2復(fù)合覆膜的摩擦因數(shù)均低于TiN覆膜的，尤其是MoS2含量為22%的TiN-MoS2復(fù)合覆膜，其摩擦因數(shù)僅為0.1左右，顯示出與DLC覆膜幾乎相同的低摩擦特性。并且，當(dāng)試驗(yàn)載荷由2N增加到5N時(shí)，TiN-MoS2復(fù)合覆膜(MoS2含量22%)的摩擦因數(shù)降低至0.05左右。此外，即使溫度上升至200 ℃，復(fù)合覆膜也能維持其低摩擦特性。

綜上所述，TiN-MoS2復(fù)合覆膜的低摩擦特性基本與DLC覆膜的相當(dāng)，甚至更好。然而，如果要將TiN-MoS2復(fù)合覆膜應(yīng)用于在苛刻工作環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的小型內(nèi)燃機(jī)滑動(dòng)部件，還必須進(jìn)一步提高與基材之間的密合性。為此，將具有化學(xué)活性的Ti作為中間層，以提高TiN-MoS2復(fù)合覆膜與基材之間的密合性。

與TiN-MoS2復(fù)合覆膜一樣，Ti中間層也采用直流磁控濺射法成膜。采用純度達(dá)99.9%以上的Ti靶，加載100W電流，在加熱至350 ℃的Si或SUJ2基材上形成中間層。形成Ti中間層之后，使用TiN+30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MoS2的復(fù)合靶，按表1所列條件，形成TiN-MoS2復(fù)合覆膜(覆膜厚度0.4μm)。另外，本次試驗(yàn)中，為了評(píng)價(jià)中間層膜厚對(duì)TiN-MoS2復(fù)合覆膜密合性的影響，將Ti中間層的膜厚設(shè)定為0.02μm、0.04μm和0.08μm 3種條件。

通過劃痕試驗(yàn)法獲得具有Ti中間層結(jié)構(gòu)的TiN-MoS2復(fù)合覆膜的剝離臨界載荷(密合性)，由結(jié)果得知，隨著Ti中間層膜厚的增加，密合性也隨之提高。其中，相比無中間層的TiN-MoS2復(fù)合覆膜，Ti中間層膜厚為0.08μm的TiN-MoS2復(fù)合覆膜具有2倍以上的高密合性。圖3示出了在SUJ2基材上形成TiN-MoS2復(fù)合覆膜(Ti中間層膜厚0.08μm)后，壓入維氏硬度計(jì)壓頭后壓痕周邊的覆膜剝落狀況。在無Ti中間層的TiN-MoS2復(fù)合覆膜上，壓痕周邊產(chǎn)生大量裂紋。相反，在帶Ti中間層的TiN-MoS2復(fù)合覆膜上，壓痕周邊裂紋的產(chǎn)生受到控制。基于這一試驗(yàn)結(jié)果可認(rèn)為，即使是在發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件主要構(gòu)成材料的鋼鐵材質(zhì)上，也可以通過生成Ti中間層來提高TiN-MoS2復(fù)合覆膜與基材之間的密合性。

圖4為運(yùn)用觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x觀察帶Ti中間層的TiN-MoS2復(fù)合覆膜磨損痕跡截面形狀的結(jié)果。圖5為根據(jù)磨損痕跡截面形狀求出的單位磨損量。由結(jié)果可知，形成Ti中間層后，磨損深度減小，磨損受到抑制。其中，Ti中間層膜厚為0.08μm的TiN-MoS2復(fù)合覆膜的單位磨損量約為2.0×10-10mm/N，相比無Ti中間層的TiN-MoS2復(fù)合覆膜，單位磨損量降低至1/4的水平。根據(jù)這一結(jié)果，Ti中間層對(duì)于提高TiN-MoS2復(fù)合覆膜的耐磨損性是極為有效的。另外，無論是否形成Ti中間層，TiN-MoS2復(fù)合覆膜的摩擦因數(shù)都極低，僅為0.1左右，所以認(rèn)為，帶Ti中間層結(jié)構(gòu)的TiN-MoS2復(fù)合覆膜完全能夠作為有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件摩擦的涂層材料來加以應(yīng)用。

2 結(jié)語

本文簡(jiǎn)單介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件用潤(rùn)滑性硬質(zhì)覆膜(TiN-MoS2復(fù)合覆膜)工藝的技術(shù)概要及相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果。

迄今，由于能降低發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件的摩擦，改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，DLC覆膜已在氣門挺桿等零部件上得到廣泛應(yīng)用，但是這種工藝在覆膜與基材之間密合性及耐熱性等方面仍存在一些有待解決的課題。為了尋找能適用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室附近滑動(dòng)部件的潤(rùn)滑性硬質(zhì)覆膜，開發(fā)了帶Ti中間層的TiN-MoS2復(fù)合覆膜。試驗(yàn)結(jié)果表明，帶Ti中間層的TiN-MoS2復(fù)合覆膜可以成為有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)部件的涂層材料。

此外，目前對(duì)于超小型動(dòng)力源的需求越來越高，因此迫切希望開發(fā)出能量密度與輸出功率密度都更高的超小型內(nèi)燃機(jī)(微型燃?xì)廨啓C(jī)、微型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)等)。然而，在類似圖6所示超小型發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于空間上的限制，滑動(dòng)部件的潤(rùn)滑材料供給相當(dāng)困難，因此，為了降低滑動(dòng)部件的摩擦，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，潤(rùn)滑性硬質(zhì)覆膜的應(yīng)用是必不可少的，今后其重要性將得到進(jìn)一步提高。

彭惠民 譯自 機(jī)械の研究，2014，66(5)

朱曉蓉 校

朱曉蓉 編輯

2015-01-27)