用于發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承的固體潤(rùn)滑涂層

【日】　冨川貴志　神谷周　千年俊之

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材料工藝

用于發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承的固體潤(rùn)滑涂層

【日】?jī)宕ㄙF志神谷周千年俊之

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的滑動(dòng)軸承施以固體潤(rùn)滑涂層工藝，可以改善軸承的磨合性，提高軸承性能。近年來，混合動(dòng)力系統(tǒng)及怠速起停系統(tǒng)等環(huán)保技術(shù)不斷得到發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和熄火也變得更為頻繁，零部件的工作環(huán)境變得日益苛刻，而固體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑特性對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的耐磨損性及降低摩擦具有極大作用。對(duì)進(jìn)一步提高固體潤(rùn)滑涂層性能的技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的解說。

發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承固體潤(rùn)滑涂層低摩擦特性耐磨損性

0　前言

“用于發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承的固體潤(rùn)滑涂層”曾獲得日本2008年度第1次“巖木獎(jiǎng)”大獎(jiǎng)，并在“第11次低摩擦涂層的現(xiàn)狀與未來研討會(huì)”上作了技術(shù)介紹[1]。當(dāng)時(shí)，不僅介紹了相關(guān)的開發(fā)理念、開發(fā)內(nèi)容及效果，同時(shí)也記錄了環(huán)境影響評(píng)估(LCA)的結(jié)果。相比傳統(tǒng)的鍍鉛工藝，固體潤(rùn)滑涂層是更有利于環(huán)境保護(hù)的技術(shù)，其效果與環(huán)保性受到廣泛好評(píng)，因而獲得了當(dāng)時(shí)的技術(shù)大獎(jiǎng)。之后，固體潤(rùn)滑涂層在眾多發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低燃油耗作出了貢獻(xiàn)。本文就固體潤(rùn)滑涂層的低摩擦效果，以及在起動(dòng)-停止條件下的耐磨損性等相關(guān)情況做詳細(xì)的說明。

1　關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)中的滑動(dòng)軸承

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)中滑動(dòng)軸承的布局概況

圖2　滑動(dòng)軸承的截面組織

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)中的滑動(dòng)軸承(半圓柱形狀)是以2個(gè)1組的形式內(nèi)置于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與曲軸之間，以及曲軸與連桿大頭之間，并借由作為流體的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油支承曲軸，也將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的重要部件。圖2示出了滑動(dòng)軸承的截面組織。在最厚僅幾毫米的鋼制軸瓦上貼合約0.2mm厚的銅基或鋁基合金層，再在合金層上涂覆約0.01mm厚的表面涂層。這種表面涂層曾經(jīng)采用電鍍的鉛基合金材料，而本文所介紹的則是在涂覆樹脂及固體潤(rùn)滑劑之后再經(jīng)燒結(jié)而成的固體潤(rùn)滑涂層。這一表面涂層的功能是緩和因加工及組裝時(shí)的誤差而產(chǎn)生的校整不當(dāng)(失調(diào))，即所謂的“磨合性”。校整不當(dāng)或失調(diào)有可能在部件局部接觸時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞損傷、熱膠粘等現(xiàn)象，而磨損及塑性變形等則能消除校整不當(dāng)，實(shí)現(xiàn)所謂的“磨合”，從而使局部接觸得到緩和。在涂覆固體潤(rùn)滑涂層之后，鋁合金軸承的抗疲勞面壓可提高約10 MPa[2]。

2　低摩擦特性及起動(dòng)-停止條件下的耐磨損性

圖3　斯特里貝克曲線

為改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、減少CO2排放，混合動(dòng)力系統(tǒng)及自動(dòng)起停系統(tǒng)等技術(shù)得到普及應(yīng)用。此類系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁地起動(dòng)和熄火。由于發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)沒有油膜壓力，此時(shí)的皮帶張力會(huì)使曲軸與滑動(dòng)軸承之間形成接觸狀態(tài)。因此，當(dāng)起動(dòng)-停止的循環(huán)數(shù)增多，如圖3中的斯特里貝克曲線圖所示，零部件表面會(huì)反復(fù)在邊界潤(rùn)滑與流體潤(rùn)滑的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致反復(fù)出現(xiàn)摩擦因數(shù)較高的邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。能降低邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦因數(shù)的低摩擦特性將成為改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的重要因素。此外，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)-停止次數(shù)的增加，邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的接觸次數(shù)也會(huì)增加，部件表面的磨損亦會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。一旦磨損加大，曲軸與滑動(dòng)軸承之間的間隙會(huì)加大，這有可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生異常噪聲等故障情況。降低邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦因數(shù)，將直接關(guān)系到抑制磨損的進(jìn)展，提高部件的抗磨損性能。研究人員通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了上述現(xiàn)象[3]，并對(duì)實(shí)施固體潤(rùn)滑涂層與沒有固體潤(rùn)滑涂層的鋁合金軸承進(jìn)行比較，在利用平板的往復(fù)滑動(dòng)基礎(chǔ)試驗(yàn)中，證實(shí)前者的摩擦因數(shù)可被降低到后者的25%(圖4)，這表明邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦因數(shù)得到了降低。研究人員也確認(rèn)了在實(shí)體軸承上施以固體潤(rùn)滑涂層的效果，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的摩擦扭矩可被降低10%～30%(圖5)。此外，在頻繁起動(dòng)-停止的磨損試驗(yàn)中，磨損量被降低到1/3的程度(圖6)。固體潤(rùn)滑涂層雖然是以實(shí)現(xiàn)“磨合性”為目的開發(fā)的，但由于其在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下能同時(shí)具備低摩擦特性，以及能在起動(dòng)-停止條件下具備良好的耐磨損性，因而能對(duì)改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性做出極大貢獻(xiàn)。

圖4　往復(fù)滑動(dòng)試驗(yàn)中的摩擦因數(shù)[3]

圖5　實(shí)體軸承試驗(yàn)中的起動(dòng)摩擦扭矩[3]

圖6　起動(dòng)-停止磨損試驗(yàn)中的磨損量變化[3]

3　提高起動(dòng)-停止條件下的耐磨損性

自動(dòng)起停系統(tǒng)等技術(shù)可應(yīng)用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)，為此，用除淬火鋼以外的鑄鋼，以及未淬火鋼材制成的曲軸就被要求應(yīng)具備良好的耐磨損性。圖7示出了各種曲軸材料的截面組織及物理特性。由圖7可知，淬火鋼中只有馬氏體的結(jié)構(gòu)成分存在，而未淬火的鋼材則由白色部分的鐵素體與灰色部分的珠光體構(gòu)成。此外，鑄鋼中黑色球狀石墨周邊的白色部分為鐵素體。由于鑄鋼及未淬火鋼材中含有軟質(zhì)的鐵素體，因此，制成的曲軸在研磨精加工時(shí)，其鐵素體相易形成毛刺，并對(duì)軸承造成損傷，或產(chǎn)生磨損[4]。研究人員通過添加硬質(zhì)物來提高耐磨損性的方法，充分利用了硬質(zhì)物本身的高耐磨損性，以及降低摩擦副配對(duì)軸表面粗糙度的拋光效果。出于在涂層材料中的分散性考慮，使用SiC作為要添加的硬質(zhì)物。此外，考慮到硬質(zhì)物對(duì)摩擦副配對(duì)材料的攻擊性，須使用微細(xì)尺寸的SiC。所采用的磨損試驗(yàn)裝置是在2組軸承支承的試驗(yàn)軸一側(cè)施加皮帶張力(圖8)，在負(fù)荷最高的位置設(shè)置試驗(yàn)用軸承，試驗(yàn)軸是設(shè)定為使用發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停系統(tǒng)的條件，以“1min運(yùn)轉(zhuǎn)+1min停止”為1個(gè)循環(huán)，反復(fù)3000次的起動(dòng)-停止循環(huán)試驗(yàn)。圖9示出了各種材料的試驗(yàn)軸分別在是否添加SiC條件下的起動(dòng)-停止磨損試驗(yàn)結(jié)果。相比不添加SiC的固體潤(rùn)滑涂層，在添加了SiC后，固體潤(rùn)滑涂層的磨損呈減少狀態(tài)。在不添加SiC的固體潤(rùn)滑涂層材料中，按淬火鋼、未淬火鋼材和鑄鋼的順序，其磨損量依次呈增加態(tài)勢(shì)。另一方面，在添加了SiC的固體潤(rùn)滑涂層材料中，軸材質(zhì)與磨損量的相關(guān)性并不明顯，其中，相比不添加固體潤(rùn)滑涂層的情況，鑄鋼的固體潤(rùn)滑涂層在添加了SiC之后，其磨損量約減少90%。此外，軸的磨損量均在1μm以下，粗糙部分的頂部呈削平狀態(tài)，可以認(rèn)為SiC不會(huì)對(duì)摩擦副配對(duì)材料造成攻擊性。接著，為了確認(rèn)利用SiC拋光由鐵素體相引起的毛刺的效果，借助激光顯微鏡，對(duì)試驗(yàn)前后鑄鋼軸表面的變化進(jìn)行觀察，圖10為觀察所得的三維圖像結(jié)果。在未添加SiC的固體潤(rùn)滑涂層試樣中，試驗(yàn)后石墨周邊殘留有毛刺，雖然在試驗(yàn)前后未發(fā)現(xiàn)軸表面粗糙度有所變化，但在添加了SiC的固體潤(rùn)滑涂層試樣中，試驗(yàn)前曾經(jīng)存在的毛刺在試驗(yàn)后就幾乎不存在了，并且其他部位的粗糙度都有所降低。可以推斷，這是因?yàn)樘砑拥腟iC在滑動(dòng)過程中對(duì)毛刺及表面粗糙凸起起到了研磨的作用。由此可知，相比不添加SiC的固體潤(rùn)滑涂層，在添加SiC后，其耐磨損性會(huì)得到提高。由于添加SiC的固體潤(rùn)滑涂層對(duì)各種軸材料都具備提高耐磨損性的效果，因此，能極為有效地促進(jìn)自動(dòng)起停系統(tǒng)等技術(shù)的普及應(yīng)用。

圖7　各種鋼材的截面組織及硬度[5]

圖8　起動(dòng)-停止磨損試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)[5]

圖9　起動(dòng)-停止磨損試驗(yàn)的結(jié)果[5]

圖10　起動(dòng)-停止磨損試驗(yàn)前后的鑄鋼軸表面觀察結(jié)果

4　改善低摩擦特性

低燃油耗已經(jīng)成為影響汽車銷售量的重要因素，為此，也要求進(jìn)一步改善發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的低摩擦特性。下文介紹固體潤(rùn)滑涂層對(duì)于降低起動(dòng)時(shí)摩擦扭矩效果的相關(guān)研究工作。神谷等為了提高材料的耐磨損性，除在涂層材料中添加SiC外，還著眼于摩擦因數(shù)低于MoS2的石墨，以求進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的摩擦扭矩。在比較基礎(chǔ)無潤(rùn)滑條件下摩擦因數(shù)的試驗(yàn)中，添加石墨的固體潤(rùn)滑涂層摩擦因數(shù)為0.09，而添加MoS2的固體潤(rùn)滑涂層摩擦因數(shù)為0.13。由此可知，添加石墨的固體潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)比添加MoS2的固體潤(rùn)滑涂層約低30%(0.04)。接著，針對(duì)軸承形狀對(duì)起動(dòng)摩擦扭矩的影響進(jìn)行分析和比較。圖11為測(cè)試起動(dòng)時(shí)摩擦扭矩的試驗(yàn)裝置模式圖，同時(shí)，表1列出了試驗(yàn)條件。試驗(yàn)裝置由安裝在軸承座上的2組試驗(yàn)軸承，以及用球軸承與軸連接的承載機(jī)構(gòu)組成，摩擦副配對(duì)軸通過扭矩儀與電動(dòng)機(jī)相連。潤(rùn)滑油從軸承座經(jīng)由軸承上的油孔供給試驗(yàn)部位。試驗(yàn)裝置的運(yùn)行模式設(shè)定為起動(dòng)-停止模式，加速至軸轉(zhuǎn)速700r/min后，穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)10s，減速與停止10s，合計(jì)20s為1個(gè)循環(huán)。圖12示出了各種固體潤(rùn)滑涂層的典型摩擦扭矩變化。起動(dòng)時(shí)的摩擦扭矩在軸旋轉(zhuǎn)前顯示出最大值，隨著轉(zhuǎn)速的升高，摩擦扭矩減少，并顯示為1個(gè)恒定值。如果將起動(dòng)時(shí)摩擦扭矩的最大值作為起動(dòng)時(shí)的摩擦扭矩進(jìn)行比較，則添加石墨的固體潤(rùn)滑涂層軸在起動(dòng)時(shí)的摩擦扭矩比添加MoS2的涂層軸約低15%。雖然在油潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)比基礎(chǔ)無潤(rùn)滑條件下的低約50%，但同樣能獲得降低起動(dòng)摩擦扭矩的效果。為了了解起動(dòng)摩擦扭矩降低的機(jī)理，對(duì)起動(dòng)時(shí)的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行推測(cè)。圖13示出了在圖12中添加石墨的固體潤(rùn)滑涂層測(cè)試結(jié)果基礎(chǔ)上，將橫軸變換軸承特性參數(shù)后所得到的結(jié)果，即所謂的“斯特里貝克曲線圖”。隨著軸承特性參數(shù)值的升高，摩擦因數(shù)呈減少趨勢(shì)，為此可以推定，起動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)狀態(tài)為邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑狀態(tài)，如式(1)所示為波登的邊界潤(rùn)滑模型。

(1)

式中，摩擦力F、負(fù)荷W、硬度H、接觸部位的剪切強(qiáng)度Sm、邊界膜的剪切強(qiáng)度Sl，以及接觸部位與邊界膜的負(fù)荷分擔(dān)比例α構(gòu)成。在無潤(rùn)滑條件下的試驗(yàn)

圖11　起動(dòng)摩擦扭矩測(cè)定裝置示意圖[6]

項(xiàng)目參數(shù)潤(rùn)滑油0W20SM供油溫度/℃30軸承表面壓力/MPa1.2轉(zhuǎn)速/(r·min-1)0→700(1.7m/s)循環(huán)數(shù)180

圖12　起動(dòng)摩擦扭矩測(cè)試結(jié)果

圖13　起動(dòng)摩擦扭矩測(cè)試結(jié)果(軸承特性參數(shù)轉(zhuǎn)換)[6]

結(jié)果顯示，添加石墨的固體潤(rùn)滑涂層的剪切強(qiáng)度比添加MoS2涂層的低30%。因此，對(duì)試驗(yàn)條件以外的硬度H和負(fù)荷分擔(dān)比例α進(jìn)行比較。使用納米壓痕儀比較硬度H，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比添加MoS2的固體潤(rùn)滑涂層，添加石墨的固體潤(rùn)滑涂層硬度高16%。此外，負(fù)荷分擔(dān)比例α被認(rèn)為應(yīng)該是在與潤(rùn)滑油之間的親油性更好的情況下更小，因此使用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定與潤(rùn)滑油的接觸角，結(jié)果顯示，添加石墨的固體潤(rùn)滑涂層與潤(rùn)滑油的接觸角比添加MoS2的固體潤(rùn)滑涂層的低75%。根據(jù)以上試驗(yàn)分析結(jié)果，可認(rèn)為添加石墨的固體潤(rùn)滑涂層是由于接觸部位的剪切強(qiáng)度和負(fù)荷分擔(dān)比例α的降低，以及硬度H增加的緣故使起動(dòng)摩擦扭矩得以降低的。

5　結(jié)語

固體潤(rùn)滑涂層除了有提高零部件磨合性的效果外，還具備在起動(dòng)-停止條件下的優(yōu)異耐磨損性，以及低摩擦特性，本文介紹了進(jìn)一步提高固體潤(rùn)滑涂層上述特性的方法。這些優(yōu)異的性能有利于改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，并進(jìn)一步降低CO2排放。另外，固體潤(rùn)滑涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承以外的應(yīng)用領(lǐng)域也極有發(fā)展?jié)摿Γ転闇p少CO2排放作出極大貢獻(xiàn)。

[1]冨川貴志,壁谷泰典,不破良雄.[C].第11回トライボコーティングの現(xiàn)狀と將來前刷集,2009： 14-22.

[2]冨川貴志.[J].トライボロジスト,2011,56(11)： 665-672.

[3]壁谷泰典,冨川貴志,神谷周,ほか.[C].自動(dòng)車技術(shù)會(huì)學(xué)術(shù)講演會(huì)前刷集,2011,No.29-11： 17-20.

[4]福岡辰彥,曾田範(fàn)宗.[G].日本潤(rùn)滑學(xué)會(huì)論文集,1981,No.810-13： 246-248.

[5]千年俊之,神谷周,窪田墾,ほか.[C].トライボロジー會(huì)議2012秋季大會(huì)予稿集,2012： 421-422.

[6]神谷周,千年俊之,出崎亨.[C].自動(dòng)車技術(shù)會(huì)學(xué)術(shù)講演會(huì)2013秋季大會(huì)予稿集,2013,No.157-13： 1-4.

2015-03-05)