柴油機活塞環表面類金剛石薄膜在模擬工況下摩擦學性能

李 楠 車銀輝 李 洋

(蘇州熱工研究院有限公司 廣東深圳 518026)

內燃機在能量密度、熱效率、燃料靈活度及市場占有率等方面占據著絕對優勢，在生產生活中有著舉足輕重的地位。其中大缸徑、長沖程的大功率柴油機通常作為商用車、船舶、礦山機械以及核電應急發電機等領域的主要動力源。活塞環-缸套摩擦副作為柴油機中最為重要的摩擦副之一，其潤滑摩擦性能直接影響整個柴油機的燃油經濟性、耐用性甚至壽命。隨著柴油機向著高功率密度的方向發展，燃燒室內的壓力、溫度也相應不斷提升，導致活塞環-缸套摩擦副的潤滑條件變得更加苛刻，如果活塞環-缸套摩擦副潤滑不當，不僅會造成不必要的摩擦損失，增加燃油消耗，還會導致摩擦副的異常磨損，使活塞環與缸套之間的間隙過大，導致內燃機動力性喪失，甚至發生拉缸等重大事故。因此改善活塞環-缸套摩擦副的潤滑摩擦性能，提高柴油機的可靠性，延長使用壽命，具有重要的意義[1-3]。

隨著表面處理技術的不斷發展，通過在活塞環表面涂覆具備減摩耐磨性能的固體潤滑材料成為提高柴油機可靠性和服役壽命的有效方法[4]，其可以顯著改善活塞環-缸套摩擦副在不同負載、速度、溫度下的摩擦學性能，以及活塞在上下止點之間往復運動過程中的摩擦學性能。以類金剛石(簡稱DLC)薄膜為代表的固體潤滑材料屬于最新一代的活塞環表面處理技術，也是滿足柴油發動機向高負荷、高熱負荷、高功效方向發展不可或缺的關鍵技術[5]。DLC薄膜具有高硬度、良好的化學穩定性、耐磨損、耐腐蝕以及低的摩擦因數等優勢[6-7]，相比于傳統的電鍍鉻、陶瓷涂層、氮化涂層等，DLC薄膜在活塞環表面表現出了優異的摩擦學性能和可靠性。王星和程偉勝[8]開展了沉積DLC薄膜的活塞環與鉻-陶瓷復合鍍(CKS)活塞環在某汽油機上15 h的加砂潤滑油耗試驗，結果表明DLC活塞環的潤滑油消耗率較CKS活塞環降低了24.2%，DLC活塞環的環間隙變化值和外圓磨損量也明顯小于CKS活塞環。WAN等[9]研究了在活塞環表面CrN、Cr、Cr-Al2O3和Cr-Diamond涂層表面附加DLC薄膜后的耐磨性和磨損壽命，結果表明DLC薄膜不僅可以有效提高活塞環的耐磨性能，而且提高了可靠性和魯棒性。KIMURA和SAKAI[10]研究表明，DLC薄膜和潤滑油產生的協同效應極大提高和強化了活塞環表面的耐磨耐蝕和減摩性能以及環境適應性。

本文作者利用陰極電弧離子鍍技術在缸徑為280 mm的柴油機CKS活塞環表面制備了DLC薄膜，在模擬柴油機工況下評價了CKS活塞環與附加DLC薄膜后活塞環的摩擦學性能，通過對磨損形貌和磨損表面結構分析研究了摩擦磨損機制。文中研究結果對DLC薄膜在大功率柴油機活塞環表面的應用具有一定的指導意義。

1 實驗與方法

采用陰極電弧離子鍍技術在缸徑為280 mm的CKS活塞環表面制備了DLC薄膜，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察活塞環的截面形貌及薄膜厚度，通過顯微共焦拉曼光譜儀分析DLC薄膜的結構，利用劃痕儀測定DLC薄膜與基底結合力，通過光學顯微鏡觀察劃痕形貌并判定薄膜與基底結合情況，通過納米壓入測試平臺測定DLC薄膜的硬度與彈性模量。

采用SRV-IV微動摩擦磨損試驗機研究了干摩擦、油潤滑、常溫貧油潤滑和高溫貧油潤滑4種柴油機模擬工況條件下活塞環-缸套摩擦副摩擦學性能，測試參數如表1所示。摩擦對偶材料為硬度(450.73±51.46)HV、表面粗糙度約1.2 μm的片狀石墨鑄鐵缸套材料。測試后通過輪廓儀測試缸套磨損率，利用光學顯微鏡和顯微共焦拉曼光譜儀觀察磨損形貌和分析活塞環表面DLC薄膜結構的變化情況，分析活塞環-缸套摩擦副在模擬工況下的摩擦磨損機制。文中所用潤滑油為殼牌S340柴油機專用潤滑油，其黏度系數為101，40和100 ℃運動黏度分別為139和14.4 mm2/s。

表1 活塞環-缸套4種模擬工況實驗參數

2 結果與討論

2.1 活塞環表面DLC薄膜的結構及力學性能

圖1所示為活塞環表面CKS鍍層截面形貌與成分，從圖1(a)可觀察到活塞環外圓面CKS鍍層厚度約為300 μm。圖1(b)、(c)、(d)所示為圖1(a)中沿直線位置的EDS元素線掃描結果，其中橫坐標是選擇的樣品位置(即沿著CKS鍍層厚度方向)，縱坐標代表元素的特征X射線計數強度。通過EDS元素線掃描分析可知鍍層主要由Cr元素組成，在截面位置出現了Al元素的尖峰，表明復合鍍層中復合了氧化鋁微粒，證明鍍層為CKS復合電鍍層。

圖1 活塞環表面CKS鍍層截面形貌與成分

圖2所示為附加DLC薄膜后活塞環外圓面截面形貌。可見附加的DLC薄膜厚度約為7 μm，經過截面拋光處理后發現DLC薄膜和原始CKS鍍層結合處沒有出現裂紋、剝落等現象，證明DLC薄膜與CKS鍍層之間結合力良好。進一步通過劃痕法驗證DLC薄膜與CKS鍍層結合力，如圖3所示，隨著加載力的增加DLC薄膜與基體剝離的載荷約為36.5 N，證明DLC薄膜膜基結合強度較高。

圖2 活塞環表面DLC薄膜截面形貌

圖3 活塞環表面DLC薄膜劃痕形貌

圖4所示為活塞環表面CKS鍍層與附加的DLC薄膜的載荷-壓入深度曲線。在10 mN測試載荷下，壓入深度約為190和150 nm，均未超過表面層厚度的1/10。測試結果表明：CKS鍍層的硬度為(13.2±0.7) GPa，彈性模量為(238.3±8.4) GPa；附加的DLC薄膜硬度為(18.6±1.0) GPa，彈性模量為(256.4±18.1) GPa。

圖4 活塞環表面CKS鍍層與DLC薄膜的硬度

活塞環表面DLC薄膜的Raman光譜如圖5所示。DLC薄膜表現為典型的非晶碳特征，在800～2 000 cm-1范圍內Raman光譜出現了一個不對稱的寬峰。通過高斯擬合分峰后D峰所在位置為1 376 cm-1，G峰峰位位于1 569 cm-1，經過計算峰面積之比得出ID/IG比值為0.98，這說明薄膜中的sp3雜化碳含量高于sp2雜化碳含量[11]。

圖5 活塞環表面DLC薄膜的Raman譜圖

2.2 活塞環表面DLC薄膜摩擦學性能

圖6所示為干摩擦、常溫貧油、高溫貧油和富油潤滑4種模擬工況條件下CKS活塞環與附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩的摩擦因數曲線。

圖6 4種模擬工況下活塞環-缸套摩擦副摩擦因數曲線

如圖6(a)所示,在干摩擦條件下，CKS活塞環-缸套摩擦副對摩的摩擦因數較高，初期摩擦因數不穩定，在0.8～1.0之間波動，隨后逐漸升高至1.0～1.1，這主要是由于摩擦過程中CKS活塞環表面的電鍍層與缸套材料直接接觸，為典型的固-固接觸的摩擦因數表現形式。CKS活塞環附加DLC薄膜后，與缸套摩擦副對摩的摩擦因數較CKS鍍層降低了71.4%，而且摩擦因數比較穩定。

如圖6(b)所示，在常溫貧油潤滑條件下，由于CKS活塞環-缸套摩擦副接觸面之間存在潤滑油膜，初始階段摩擦因數比較穩定，隨著摩擦過程中活塞環-缸套摩擦副之間的潤滑油膜逐漸破壞得不到及時補償，摩擦因數開始波動，5 000 s后摩擦因數逐漸升高。CKS活塞環附加DLC薄膜后，與缸套摩擦副對摩的摩擦因數比較穩定，平均摩擦因數為0.171±0.009，主要是由于CKS活塞環附加的DLC薄膜在潤滑油膜逐漸破壞且得不到及時補償的情況下起到了潤滑作用。

如圖6(c)所示，在高溫貧油潤滑條件下，CKS活塞環與附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩的摩擦因數均比較穩定；附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副的摩擦因數降低了21.1%，主要是由于在高溫條件下潤滑油黏度降低，流動性增強，可以及時地補充到活塞環-缸套摩擦副的接觸界面之間保持潤滑性能[7]。其中高溫貧油潤滑條件下CKS活塞環附加的DLC薄膜與潤滑油的協同潤滑作用，使得摩擦因數降低至0.101。

如圖6(d)所示，在富油潤滑條件下，CKS活塞環-缸套摩擦副接觸界面之間的潤滑油在摩擦過程中能夠及時補充確保可靠潤滑，摩擦因數比較平穩；附加DLC薄膜后活塞環與缸套摩擦副對摩的摩擦因數在初始階段較低，但是隨著測試時間的延長逐漸升高，這主要是由于附加的DLC薄膜表面對潤滑油的吸附能力較弱而使得摩擦因數略有升高[12-13]。

綜上，在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油苛刻工況環境下，CKS活塞環附加DLC薄膜后，均可降低與缸套摩擦副對摩的摩擦因數，可滿足柴油機活塞環的潤滑性能要求。

圖7所示為干摩擦、常溫貧油、高溫貧油和富油潤滑4種模擬工況條件下CKS活塞環與附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩后缸套的磨損率。在干摩擦、常溫貧油、高溫貧油工況下，附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩后缸套的磨損率較CKS活塞環均有一定程度的降低。其中在干摩擦條件下缸套的磨損率降低了約一個數量級，在常溫貧油、高溫貧油條件下分別降低了45.6%和52.9%。然而在富油潤滑條件下，一方面由于附加的DLC薄膜硬度較高會加劇缸套材料的磨損，另一方面由于DLC薄膜對潤滑油的吸附能力較弱無法發揮DLC薄膜與潤滑油的協同潤滑作用，使得附加DLC薄膜后活塞環與缸套摩擦副對摩的摩擦因數較高，缸套材料的磨損量也略有增大。

圖7 4種模擬工況下缸套磨損率

2.3 活塞環表面DLC薄膜減摩耐磨機制

圖8所示為干摩擦條件下CKS活塞環、附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩后的磨痕形貌。由于活塞環表面的CKS鍍層與缸套材料直接接觸導致的黏著磨損，導致活塞環表面存在大量的磨屑和材料堆積(見圖8(a))，對摩的缸套表面存在明顯的材料剝落與磨屑堆積，EDX分析發現缸套表面的磨屑以氧化物為主(見圖8(b))。從圖8(c)中可以看出，附加DLC薄膜后的活塞環表面相對光滑，僅有少量的劃痕，表現為輕微的磨粒磨損；對摩的缸套表面仍能觀察到原始的珩磨網紋(見圖8(d))，未觀察到明顯的黏著磨損特征，說明附加的DLC薄膜的潤滑性能有利于降低活塞環對缸套摩擦副的磨損。

圖8 干摩擦條件下磨損形貌

圖9所示為常溫貧油潤滑條件下CKS活塞環、附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩后的磨痕形貌。從圖9(a)中可以看出，CKS活塞環表面存在少量的鍍層剝落，對摩的缸套表面存在少量的材料剝落與轉移(見圖9(b))，主要為活塞環-缸套摩擦副之間的潤滑油膜破壞導致局部的固-固直接接觸引起的黏著磨損。從圖9(c)與(d)中可以看出，附加DLC薄膜后的活塞環表面僅有輕微的劃痕，對應的缸套表面也以輕微的劃痕特征為主，未觀察到明顯的黏著磨損特征，說明附加的DLC薄膜的潤滑性能可顯著減輕潤滑油膜破壞情況下固-固直接接觸引起的黏著磨損，保障液體潤滑劑缺失情況下的潤滑效果。

圖9 常溫貧油潤滑條件下磨損形貌

圖10所示為高溫貧油潤滑條件下CKS活塞環與附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩后的磨痕形貌。從圖10(a)與(b)中可以看出，CKS活塞環表面以劃痕特征為主，對摩的缸套表面無明顯的缸套材料剝落與轉移跡象。從圖10(c)與(d)中可以看出，附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩后的表面也以劃痕為主，均未觀察到材料黏著磨損特征，這是由于流動性較高的潤滑油能夠及時彌補接觸界面潤滑油膜的局部缺失，避免了固-固直接接觸而引起的黏著磨損。

圖10 高溫貧油潤滑條件下磨損形貌

圖11所示為富油潤滑條件下CKS活塞環與附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩后的磨痕形貌。從圖11(a)與(b)中可以看出，CKS活塞環表面存在輕微的劃痕，對摩的缸套表面無明顯的缸套材料剝落與轉移跡象。從圖11(c)與(d)中可以看出，附加DLC薄膜后的活塞環與缸套摩擦副對摩后的活塞環與缸套表面以劃痕為主，未觀察到材料黏著磨損特征，然而由于附加的DLC薄膜表面的硬度較高以及對潤滑油的吸附能力較弱，活塞環與缸套摩擦副磨痕表面的劃痕比較明顯，對應較高的摩擦因數和磨損率。

圖11 富油潤滑條件下磨損形貌

圖12所示為干摩擦、常溫貧油、高溫貧油和富油潤滑4種模擬工況條件下附加DLC薄膜的活塞環與缸套摩擦副對摩后活塞環磨痕表面的Raman譜圖。在干摩擦條件下，活塞環磨痕表面的Raman譜圖出現2個尖銳的峰，且G峰位置向右移動，說明磨痕處的DLC薄膜發生了明顯的石墨化現象，這也是DLC薄膜在干摩擦條件下減摩耐磨性能優異的原因[14-15]。在常溫貧油潤滑條件下，通過分峰計算確定磨痕處ID/IG的比值為1.26，而在高溫貧油和富油潤滑條件下，磨痕處ID/IG的比值為1.03，較原始薄膜均有所升高。這說明摩擦過程中接觸界面處的DLC薄膜均發生了石墨化現象[16-17]，其中常溫貧油潤滑條件下，潤滑油膜局部破壞時DLC薄膜與缸套之間的固-固直接接觸致使其石墨化程度相對較高。

圖12 4種模擬工況下DLC活塞環表面Raman譜圖

3 結論

(1)采用陰極電弧離子鍍技術在CKS活塞環表面制備厚度約為7 μm的DLC薄膜，薄膜與CKS鍍層結合良好。

(2)在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油的工況下，附加的DLC薄膜可以有效降低活塞環與缸套摩擦副對摩時的摩擦因數與磨損率。

(3)摩擦過程中DLC薄膜與潤滑油的協同潤滑作用以及DLC薄膜的石墨化是改善活塞環-缸套摩擦副摩擦學性能的主要原因。