活塞銷涂層應用試驗研究

陳波，張利敏，趙志強，高麗英

(1.中北大學，山西 太原 030051；2.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

在軍用動力轉(zhuǎn)速和燃燒壓力大幅增長、體積大幅縮減的發(fā)展趨勢下，活塞連桿組件直接面臨承載頻率和幅值倍增、熱流密度大幅提高等更嚴苛工況條件。大量工程應用表明，高功率密度柴油機活塞銷軸承磨損是導致活塞連桿組件失效的主要形式之一[1]。為提升活塞銷的抗摩能力，在其表面沉積涂層是一種較為有效的方法。目前，在內(nèi)燃機中已有大量的零部件使用了減摩涂層，例如活塞環(huán)、活塞、活塞銷、軸承和齒輪等零件[2]。在新型功能涂層材料研究過程中，一種具有高硬度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性以及良好的化學穩(wěn)定性和導熱性的類金剛石(Diamond-like carbon，簡稱DLC)涂層引起了發(fā)動機行業(yè)的廣泛關注[3-4]，并開展了相關研究。為驗證活塞銷沉積涂層后對內(nèi)燃機機械損失的影響，王剛等[5]研究了活塞銷表面沉積DLC涂層對發(fā)動機機械功率損失的影響，并運用轉(zhuǎn)移膜和石墨化兩種摩擦機制進行了分析討論，結(jié)果表明應用DLC涂層可有效改善活塞銷的表面潤滑狀態(tài)，減緩零件工作條件下的磨損，延長活塞銷的使用壽命。Kong等[6]的研究也表明，DLC涂層用于2 L發(fā)動機活塞銷上有效地提高了活塞銷的耐磨損性能。由于DLC涂層在乏油、強沖擊、周期性交變載荷作用下存在涂層脫落等可靠性問題，因此也有采用CrN涂層的活塞銷，CrN涂層由于其良好的韌性、較低的摩擦系數(shù)、顯著的耐高溫性能、較強的抗磨損性能和較高的硬度[7-9]，相對其他減摩抗摩涂層在高強化柴油機活塞銷的應用上具有很大的優(yōu)勢。Etsion等[10]在活塞銷表面分別沉積DLC和CrN涂層，并搭建了活塞銷測試試驗臺架進行考核，測試表明表面沉積DLC的活塞銷摩擦系數(shù)略低于沉積CrN涂層的活塞銷。

本研究針對高強化柴油機對活塞銷涂層的應用需求，以沉積DLC和CrN兩種涂層的活塞銷為研究對象，在擺動摩擦磨損試驗機上開展摩擦學特性試驗，與無涂層活塞銷的試驗狀態(tài)進行對比，為高強化柴油機活塞銷涂層的應用提供技術支撐。

1 試驗設備及試驗樣件

試驗采用自主開發(fā)的擺動摩擦磨損試驗機(見圖1)，在往復擺動運動下，模擬實際工作條件，包括載荷、頻率、溫度等參數(shù)，進行擺動摩擦副抗咬合和摩擦磨損性能試驗。該試驗機主要由計算機控制系統(tǒng)、電液伺服加載系統(tǒng)、軸承測試機構(gòu)、潤滑及冷卻系統(tǒng)等組成。

圖1 擺動摩擦磨損試驗機

圖2示出了活塞銷、軸承試件和安裝座，以及熱電偶布置位置。試驗用活塞銷試件為某型號高強化柴油機用活塞銷。活塞銷兩端開有V型槽用于安裝定位，軸承試件襯套為錫青銅材料。襯套與襯套基座通過過盈裝配而成，襯套和襯套基座上分別開有一個油孔，與油孔間隔180°處的襯套基座裝有熱電偶用于測試試驗過程中襯套不同位置的溫度變化。試驗件布置K1，K2和K3共3個熱電偶，其中K1布置在襯套承載面外壁中心處，K2布置在襯套承載面外壁端面處，K3布置在沿K2徑向偏45°方向處。

圖2 活塞銷及軸承安裝座

2 試驗方案

擺動摩擦磨損試驗機可模擬不同加載載荷和擺動頻率等參數(shù)，考慮到試驗需模擬最惡劣工況以及試驗簡化的需求，因此確定了如表1所示的試驗方案。試驗過程中分別檢測K1，K2和K3這3個熱電偶所測位置的溫度。表1中供油是指在軸承蓋上端提供裝甲車輛潤滑油RP-4652D，飛濺潤滑油流量為6 L/min；乏油是指不向軸承提供潤滑油，但在磨合結(jié)束后仍殘留有部分潤滑油在軸承中。

表1 連桿小頭軸承臺架模擬試驗方案

3 活塞銷涂層應用試驗結(jié)果

3.1 活塞銷無涂層試驗結(jié)果

圖3示出了無涂層活塞銷供油恒載狀態(tài)下的溫度變化。隨著試驗開始，K1，K2和K3位置處溫度迅速升高，其中K1處溫度值已超過220 ℃的限值，隨著運行時間增加，K1處溫度值略有下降，K2和K3處溫度逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。在試驗結(jié)束時，K1，K2和K3處的溫度分別為224 ℃，173 ℃，102 ℃。由此表明在供油狀態(tài)下，試驗初期活塞銷與襯套已發(fā)生嚴重的粘著磨損并導致溫度急劇升高。該試驗后的活塞銷和襯套見圖4，活塞銷表面粘銅嚴重，與活塞銷配對的襯套出現(xiàn)嚴重磨損的特征。

圖3 無涂層活塞銷供油恒載的溫升變化

圖4 無涂層活塞銷供油恒載試驗件

圖5示出了無涂層活塞銷乏油恒載狀態(tài)下的溫度變化。在乏油狀態(tài)下，由于沒有潤滑油的冷卻作用以及缺乏有效的潤滑，因此摩擦溫升與充分供油狀態(tài)有差別。隨著運行時間的增加，摩擦溫升也有所升高，但除了起始階段溫度迅速升高外，后續(xù)溫度升高緩慢。說明在該工況下摩擦溫升已經(jīng)基本達到平衡狀態(tài)。在試驗結(jié)束時，K1，K2和K3處的溫度分別為263 ℃，245 ℃和200 ℃，此時的溫度基本為平衡溫度，且遠超供油恒載狀態(tài)的試驗溫度，表明乏油潤滑摩擦生熱狀態(tài)更甚。在乏油狀態(tài)下進行恒載試驗，隨著試驗進行，磨合工況殘留在軸承中的潤滑油逐漸消耗，導致活塞銷表面出現(xiàn)機油燒焦的痕跡。該試驗后的活塞銷和襯套見圖6，襯套靠近接觸區(qū)部分出現(xiàn)了橘黃微紅色，遠離接觸區(qū)部分出現(xiàn)了黃紫色，這是在干摩擦狀態(tài)下高溫作用的結(jié)果。

圖5 無涂層活塞銷乏油恒載的溫度變化

圖6 無涂層活塞銷乏油恒載試驗件

3.2 活塞銷CrN涂層試驗結(jié)果

圖7示出了CrN活塞銷供油恒載狀態(tài)下的溫度變化。由圖可知，其溫升變化趨勢與相同工況下無涂層試驗結(jié)果相似，但其摩擦溫升顯著降低。在同等時長的試驗結(jié)束時，K1，K2，K3處的摩擦溫升分別為131 ℃，107 ℃和79 ℃，明顯小于無涂層活塞銷的試驗溫度。活塞銷上沉積CrN涂層后K1處的摩擦溫升降低了105 ℃，僅為未沉積涂層時的58.5%。由此表明，活塞銷上沉積CrN涂層后，在惡劣工況下對降低摩擦溫升具有顯著作用，這是CrN涂層良好的耐摩擦和抗粘著作用所致。該試驗后的活塞銷和襯套見圖8，襯套部分磨損區(qū)域出現(xiàn)了較為粗糙的表面剝落現(xiàn)象，但磨損區(qū)域?qū)Ρ葓D5明顯減小。雖然襯套出現(xiàn)磨損，但活塞銷表面光滑，沒有粘銅的現(xiàn)象，由此表明CrN涂層活塞銷的耐磨和抗咬合性能較優(yōu)，該涂層更適用于高載荷、潤滑條件差的工況。

圖7 CrN活塞銷供油恒載的溫升變化

圖8 CrN活塞銷供油恒載試驗件

3.3 活塞銷DLC涂層試驗結(jié)果

圖9示出了DLC活塞銷乏油恒載狀態(tài)下的溫度變化，圖中襯套承載中心點K1處溫度最高，其次為襯套承載邊緣點K2處溫度，K3處溫度最低。試驗總時長為25 min，各測點溫度近似線性平緩增加，試驗結(jié)束時K1，K2，K3處的摩擦溫升分別為216 ℃，183 ℃，150 ℃。采用DLC活塞銷摩擦生熱率并不高，襯套與活塞銷表面發(fā)生持續(xù)的但并不嚴重的粗糙接觸，產(chǎn)生的摩擦熱量不斷累積使試樣溫度不斷升高。活塞銷上沉積DLC涂層后，K1處的摩擦溫升降低了47 ℃，考慮到乏油工況潤滑情況更為惡化，因此采用DLC涂層對于減摩和溫升抑制有明顯效果。該試驗后的活塞銷和襯套見圖10，DLC摩擦表面出現(xiàn)明顯粘銅現(xiàn)象，但DLC涂層未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，襯套表面磨損嚴重，局部區(qū)域表層脫落，由此表明該涂層在部分潤滑異常工況會出現(xiàn)嚴重的粘著磨損。

圖9 DLC活塞銷乏油恒載的溫升變化

圖10 DLC活塞銷乏油恒載試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

針對CrN和DLC活塞銷涂層開展部件試驗，試驗表明CrN和DLC活塞銷涂層對于擺動摩擦副抗咬合性能和溫升抑制有明顯效果，且CrN涂層更適用于高載荷、摩擦磨損更高的情況。