高強化柴油機活塞裙部固體潤滑劑涂層的抗摩擦性能評價

K.V.GAVRILOV A.V.MOROZOV M.V.SELEZNEV Y.V.ROZHDESTVENSKIIN.A.KHOZENIUK A.A.DOIKIN V.S.HUDYAKOV

比較了固體潤滑涂層在高強化內燃機活塞裙-缸套耦合中降低摩擦和提高抗拉傷的耐摩擦性能。以高純硫化鉬和石墨為基礎的聚合物粘結劑制成的各種改性涂層沉積于零件表面，并以石墨基涂層作為參考樣品，成功地應用于重型車輛柴油機的鋼活塞上。該研究在摩擦溫度為110 ℃、正常負荷為50～450 N、往復頻率為20.0 Hz的條件下進行，這與柴油機摩擦電偶的運行條件相似。分析結果表明，沉積的所有涂層顯著降低了摩擦系數，在同時含有二硫化鉬和石墨的有些涂層，其摩擦系數可降至0.12～0.14，符合在潤滑材料存在或不存在直接金屬接觸的2種摩擦狀態下摩擦表面的接觸條件。

固體潤滑涂層;拉傷;磨損;活塞裙部;石墨脂;鉬脂

0 前言

研究人員對發動機的摩擦損失進行評估后，發現有高達66%的摩擦損失主要來自于活塞裙部、活塞環和軸承，剩余34%的摩擦損失則來自于配氣機構和傳動[1]。值得注意的是，文獻[2，3]的試驗數據也表明了活塞-缸套和活塞環-缸套所對應的摩擦損失占到了內燃機總摩擦損失的45%～50%。因此，當摩擦損失超過這一比例時，需要為發動機提供1種流體動力摩擦模式，并使用降低摩擦的涂層。

涂層材料可用于降低摩擦系數，從而降低燃料的消耗。因此，它們在特定的運行條件下能夠避免摩擦表面增加磨損和拉傷，這對發動機的有效運行具有特殊的意義[4]。確切地說，涂層材料的這些特性可避免發動機發生因冷起動導致的噴油不足，因缸套的機械或熱應變導致的局部間隙缺失，因燃油污染導致的機油潤滑能力不足，出現極高的工作溫度、潤滑材料過度氧化等現象。在采用高強化柴油機的情況下，活塞會產生高熱應變，這是由于特定的工作循環、混合摩擦和邊界摩擦模式所導致的。在這種情況下，活塞裙部的摩擦和磨損過程也增加了多樣性[5]。因此，增加涂層材料的抗摩擦性能[6-8]和改善活塞表面的初步工藝制備特性，對提升涂層與基體的附著力至關重要。

基于石墨、錫、鐵、磷酸鋁[9]等成分，如石墨浸潤合成樹脂（Grafal/EvoGlide）涂層、錫涂層、表面鍍鐵涂層等，被稱為活塞裙涂層。Grafal/EvoGlide涂層的厚度接近20 μm，在聚合物基體中摻入有細小的石墨顆粒，并因基體材料粘結劑的成分不同而特性不同。需要指出的是，Grafal/EvoGlide涂層適用于各種類型的內燃機和活塞材料。錫涂層和以磷酸鋁為基礎的涂層，其適用性僅限于由鋁合金制成的活塞。以磷酸鐵為基礎的涂層可用于鋼和鋁活塞，這種涂層可以減少15%～30%[10]的摩擦。而以石墨和/或二硫化鉬為基礎的特殊分層固體潤滑涂層的沉積也是眾所周知的[9-10]。在文獻[10]中，研究人員提出了1種用于高強化柴油機活塞裙部的聚合物-石墨的復合涂層，并分析了不同牌號機油對該涂層耦合性能的影響狀況。在文獻[6]中，研究人員提出了1種基于石墨的固體潤滑涂層，該涂層對減少摩擦、保護活塞裙、防止活塞環磨損和拉傷等都起到了積極的作用。因此，研究人員提出，應更關注于涂層沉積前對摩擦表面的初步制備過程，尤其是磷酸錳涂層，它不僅提高了涂層的附著力，而且還具有改善摩擦表面硬度等特性[7]。

需要指出的是，大多數內燃機摩擦系統使用的是固體潤滑涂層，特別是活塞裙使用的固體潤滑涂層是進口的，因此這種固體潤滑涂層及其沉積技術與逐步淘汰進口涂層的問題是密切相關的。

本研究主要通過試驗，對用于降低內燃機活塞裙-缸套摩擦磨損且具有抗磨損性的固體潤滑涂層的抗摩擦性能進行研究。本文僅針對基于各種聚合物粘結劑與固體潤滑抗磨填充物組合生成的涂層的效果進行評估，并進一步對涂層研究的合理性進行評價，其目的在于調查涂層的磨損壽命。

1 材料和方法

本試驗選擇了基于聚合物粘結劑的固體潤滑涂層、高純二硫化鉬及石墨等材料進行分析。試驗發現，所有涂層在活塞裙部表面沉積后，其厚度小于20 μm，這將會在新發動機滑動表面磨合時，以及在冷起動期間出現“缺油”模式時提供刮傷阻力。在本文中，涂層是通過帶有粘結物質和溶劑的固體潤滑材料保持懸浮，并通過陰極真空噴鍍的方法來實現沉積的。研究人員選擇了4組耐磨涂層進行試驗，這些涂層由不同粘結劑聚合物和不同組分的混合物組成。這4組試樣的組分情況分別如下：第1組涂層是基于32%的石墨與聚酰胺-酰亞胺粘合劑固化加熱而成（試樣編號為1007）;第2組涂料是以8%的石墨和28%的二硫化鉬為基材，以苯酚甲醛為粘結劑，經高溫固化而成（試樣編號為1003）;第3組涂層是以3%的石墨和21%的二硫化鉬為基材，以聚酰胺-酰亞胺為粘結劑，加熱固化而成（試件編號為1066）;第4組涂層是以4%的石墨和26%的二硫化鉬為基材，以聚酰胺-酰亞胺為粘結劑，加熱固化而成（試件編號為1006）。在涂層固化后，研究人員發現在試樣表面形成了1層較薄的組合膜，它可代表粘結劑物質的基體。此外，研究人員在基體組織中也發現了含有層狀固體潤滑材料的高分散顆粒，如石墨和/或二硫化鉬。所有涂層的工作溫度浮動范圍可達250 ℃。

國外制造商生產的涂層（涂層編號為0010），因其可廣泛用于保護重型車輛柴油機鋼活塞裙以防止磨損加劇，所以研究人員也將其作為參考樣本。研究人員通過FEI Quanta 650型掃描電子顯微鏡，測定了該涂層的化學成分主要成分是碳，且涂層中不含鉬。研究所用的涂層0010號試樣是在商用柴油發動機鋼活塞的裙部通過銷釘切割得到的。當試驗結束后，研究人員為了消除試驗涂層，對試樣表面進行了噴砂處理，然后再沉積1層固體潤滑涂層。為了提高耐磨性，研究人員對3～6組試樣（表1）的金屬表面進行了噴砂磷酸錳涂層處理。需要注意的是，涂層的耐磨性主要取決于它們與基材的附著力。因此，噴砂處理消除了屏蔽膜和活化表面，但磷酸鹽涂層則額外形成了1個多孔的子層，其厚度接近3 μm，從而增強了附著力。

研究人員在同1臺高強化發動機的缸套（材質密度 ρ 為7 000 kg/m3 的合金鑄鐵）上切取材料作為1號涂層試樣。另外，研究人員在氣缸套試樣的工作表面進行了珩磨加工。

根據平板相對于壓在其上的固定銷試樣進行往復運動的運動方案，研究人員在實驗室摩擦計上完成了測定摩擦系數的試驗（圖1）。摩擦計的工作原理在文獻[5]中有詳細介紹。

測試前，研究人員將試樣及板的表面先后置于Galosha油溶劑、乙醇中清洗，然后再將它們置于超聲波浴（Sapfir 2.8）中清洗5 min，以消除污染。測試中，研究人員發現摩擦電偶并沒有磨合，這是因為在磨合成品板表面的固態潤滑涂層顆粒對板表面的磨蝕和磨損都發生在磨合階段。為了更接近柴油機的實際工況，了解柴油機在臨界工況下的短期邊界摩擦模式，本文沒有考慮磨合階段的情況。

涂層摩擦系數測試試驗是在50～450 N的負荷范圍內，以100 N為步進，且負荷逐漸增大的狀況下進行的。摩擦計上的最大負荷對應于高強化柴油機的比負荷臨界值。研究人員將樣件和板安裝在摩擦計支架上，用蓋子密封熱室，并將摩擦副加熱至105～115 ℃，隨后暴露在空氣中超過（60±5）min，從而確定了這個溫度是模擬所研究材料的運行條件。由于板的往復頻率是恒定值，其頻率為20.0 Hz，位移幅值為6 mm，研究人員選取了每個加載值的測試時間為5 min。因此，1個帶涂層試樣的完整測試時間超過25 min。需要注意的是，研究人員之所以選用20.0 Hz的頻率，是因為摩擦計中配置的張力測量傳感器能夠可靠地測量出0.1～20.0 Hz范圍內的板振蕩頻率下的摩擦力。隨著反固體位移頻率的增加，研究人員發現所記錄的摩擦力的實際值會出現邊界緊縮。研究人員通過試驗中記錄的法向力、磨損固體的處理方式、摩擦力、路徑及聲發射等數據，也間接證明了在摩擦副中存在涂層，說明了儀器測量系統的摩擦是相互作用的。

在本研究中，研究人員對未受涂層保護的試樣進行了一系列的試驗，并對在有機油浸潤的情況下連接器中的摩擦副進行了對比試驗。第1種測試是通過噴砂去除試樣表面的涂層，第2種測試是在板的表面加入2～4 mL粘度為SAE 5W40的機油。為了再現真實的工狀并得到可靠的結果，研究人員共進行了3次試驗。

2 結果和討論

圖2顯示了摩擦系數 μ 對正常負荷 F 的典型依賴關系。這是在110 ℃的溫度、板的往復頻率恒定為20.0 Hz的情況下得到的。需要注意的是，在連接器有機油存在的情況下，有無涂層的試樣的摩擦系數沒有變化，因此，圖2僅顯示了1種使用了潤滑材料涂層變體的結果（樣品編號為1）。

為了獲得可靠的數據，研究人員進行了一系列的試驗，每個系列都代表了新制備的樣本。研究人員還對試驗得到的圖表進行了統計分析處理，表1和圖3給出了所有試樣摩擦系數的計算平均值及其變化范圍。

研究人員通過分析摩擦系數 μ 與正常負荷 F 的關系（圖3）。結果表明，隨著負荷的增加，涂層的摩擦系數均減小。這是由石墨或二硫化鉬的固體潤滑涂層所固有的特性決定的。在這種情況下，金屬基體表面（樣品編號為2）上沒有磷酸錳涂層將導致耐磨性降低。這組試樣在350～450 N高負荷作用下的試驗表明，試樣的摩擦系數不僅會增大，而且研究人員還觀測到試樣表面涂層出現了快速斷裂。在試驗過程中，研究人員收集到了相互作用的材料在接觸時產生的聲發射數據。通過分析試驗數據，研究人員得出了有涂層試樣的聲輻射比無涂層試樣少70%的結論，這也說明了摩擦過程是持續的。

研究人員發現，將二硫化鉬引入涂層（試樣組分別為1003、1066、1006）會導致摩擦系數降低（圖3），相關文獻中的試驗已證實了基于二硫化鉬的材料具有最高粘附強度，從而使這種效應合理化。換言之，隨著接觸壓力的增加，這種涂層可以更有效地減少摩擦，這對內燃機活塞組的缸套來說是1個優勢。隨后，研究人員用聚酰胺-酰亞胺樹脂作為粘結劑（1006組試樣）與用酚醛樹脂作為粘結劑（1003組試樣）進行了比對，發現1006組試樣涂層的摩擦阻力有一定的提高，具有邊際優勢。為合理提高0010試樣涂層的摩擦系數，研究人員用Jeo1 JSM-7001掃描電子顯微鏡在50～5 000倍變焦下對試驗后的試樣表面進行了觀測（圖4），并用安裝在顯微鏡上的Oxford INCA X-max 80能量分析儀對涂層進行了 X 射線熒光分析。光譜儀分析了原子序數為5（B）～92（U）的元素，該系統可實現自動化運行，靈敏度為0.1%，這是測試分析所必需的儀器。

通過對涂層1試樣斷面的顯微組織分析（圖4），研究人員得出以下結論：（1）涂層沉積采用磷酸錳涂層，其厚度接近3 μm;（2）測試后將涂層保留在試樣上，其與磷酸錳子層的厚度接近10 μm。因此，可以認為摩擦系數的增加與涂層中保留石墨顆粒的聚合物粘結劑的性質有關。

3 結論

為了研究高強化柴油機活塞裙面涂層材料的摩擦和刮傷風險，研究人員對無潤滑材料的暴露在短期邊界且均勻干摩擦的涂層進行了試驗研究。

研究表明，涂覆有固體潤滑涂層試樣的摩擦系數比無涂層試樣的低，但刮傷風險比無涂層試樣的高。研究人員在苯酚-酰甲醛粘結劑和聚酰胺-酰亞胺粘結劑的基礎上，同時加入石墨和二硫化鉬的涂層，可使高強化柴油活塞裙部的摩擦損失降低5倍，并可提高活塞裙部的使用壽命。需要注意的是，不添加二硫化鉬的涂層具有較大的摩擦系數。

為了研究活塞-缸套摩擦副的工作情況，研究人員還需要對活塞裙部和缸套的摩擦特性進行一系列額外的試驗，以評估其摩擦表面的磨損強度。在這種前提下，研究人員應特別注意在各種具有流變特性的機油中存在潤滑材料的情況，并且需要研究帶有固體潤滑涂層的關聯試樣的運行條件。

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劉 濤 譯自 Friction and Wear，2020，41（5）

吳 玲 編輯

（收稿時間：2021-02-18）