為提高耐磨性而開發的SiDLC涂層挺桿

【韓】　J.U.Ahn　S.M.Choi

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【韓】J.U.AhnS.M.Choi

為實現低摩擦和高燃油效率，大多數提升式配氣機構的發動機采用類金剛石碳(DLC)涂層挺桿。但是，由于低黏度機油的使用和更高的發動機輸出功率要求，使得摩擦學環境變得更為嚴苛，因而對涂層的堅固耐用性提出了更高的要求。為獲得較高的涂層效率并提高耐磨性，利用等離子體輔助化學氣相沉積法開發了添加5%～9%Si的Si-DLC涂層挺桿，盡管Si-DLC硬度和粘著力等機械性能有所下降，但其熱穩定性和耐磨性比DLC涂層有極大提高。Si抑制了DLC涂層的石墨化，涂層表面的薄層氧化硅起到了阻礙氧化或快速導熱的作用。

類金剛石碳耐磨性穩定性涂層

0　前言

類金剛石碳(DLC)涂層是1種具有低摩擦、高硬度、耐磨性和化學穩定性好的亞穩態非定形碳。在汽車工業中，DLC涂層有望提高汽車發動機的摩擦學特性和降低摩擦損失。尤其是在提升式配氣機構中，DLC涂層挺桿已在降低挺桿與凸輪軸的摩擦和提高燃油效率方面發揮了作用。[1-5]

然而，隨著小型化發動機(汽油直噴和渦輪汽油直噴)及含摩擦改進劑(MoDTC)的低黏度機油使用量的增加，發動機的摩擦學環境變得越加嚴峻。因此，對涂層堅固耐用性的要求更高。

事實上，DLC涂層對工作溫度有一定的限度，工作溫度超過300℃，涂層的機械性能就會退化，涂層中的氫分解會造成DLC涂層的石墨化[3-4]。

眾所周知，在DLC中添加金屬元素(W、Ti、Cr、Ta、Zr和Mo等)或非金屬元素(Si、N、O和F等)能夠提高涂層的熱穩定性和粘著力。添加的元素會形成納米級結晶體或碳化物，并能增強與氫的粘合，從而提高DLC的熱穩定性[7-10]。

本研究旨在通過添加某些能保持低摩擦的元素(Cr、Ti和Si)，來提高DLC涂層的熱穩定性和耐磨性。

1　添加元素的選擇

采用直流磁控濺射噴鍍，在無涂層挺桿上分別噴鍍將Cr、 Ti、 SiC 和石墨靶(碳氮共滲)來制備改性DLC。夾層元素為Cr，改性DLC的機械性能見表1。

與無涂層挺桿相比，有DLC涂層挺桿能夠使挺桿與凸輪軸之間的摩擦降低約30%～40%。本研究的目標是要使改性DLC在不改變其低摩擦特性的情況下提高熱穩定性和耐磨性。

表1　改性DLC的機械性能

采用電機拖動的氣缸蓋試驗臺來評估摩擦試驗。試驗條件如圖1所示，所用試驗發動機主要技術規格見表2。

圖1　電機拖動的發動機氣缸蓋試驗臺

項目參數試驗發動機直列4缸2.0L多點電噴配氣機構類型機械式氣門間隙調整機構(MLA)運行方式電機拖動磨合運轉/(r·min-1)600～6000機油和冷卻水溫度/℃90機油壓力/MPa0.1試驗時間/h20

圖2所示為在不同轉速下有涂層挺桿比無涂層挺桿摩擦扭矩減小的情況。轉速低于2 000 r/min時，所有的改性DLC比DLC降低摩擦約20%～26%。隨著轉速提高，Cr-DLC和 Ti-DLC的摩擦降幅有所下降，而Si-DLC的摩擦扭矩與DLC的相當。為了使燃油效率更高，需要在發動機所有的轉速范圍內降低摩擦。Si就是非常重要的1種元素，有報道稱，Si因其自身硬度低，以及能在涂層表面形成Si-OH，因而能夠降低DLC的摩擦[3]。

圖2　摩擦扭矩減小的結果

試驗中，Si-DLC被驗證為1種低摩擦涂層，需要通過控制Si的含量且不改變其低摩擦特性的情況下，來提高Si-DLC的熱穩定性和耐磨性。

2　Si-DLC的熱穩定性

利用輝光放電等離子體輔助化學氣相沉積(PACVD)使C2H2、六甲基二硅醚(HMDSO)、 Ar和H2混合，制備Si-DLC涂層，夾層元素為Cr，緩沖層為碳化鎢(WC)。涂層中的Si含量通過改變HMDSO的流量來控制。

表3制備了3種Si-DLC涂層。隨著涂層中Si含量增多，Si-DLC涂層的硬度和粘著力下降。由此可見是Si原子限制了DLC涂層中的強勁交聯粘結。如果Si含量大于11%，可以推定Si-DLC的硬度較低。為評估Si-DLC和DLC的熱穩定性，將涂層在空氣中以350 ℃、400 ℃和450 ℃進行20 h退火處理。使用拉曼光譜法進行諸如涂層石墨化或氧化的結構分析。

表3　PACVD Si-DLC涂層的機械性能

如圖3所示，在沉積狀態下的DLC涂層顯示了典型的類金剛石結構，峰值中心在1539 cm-1(G波段) 和1373 cm-1(D波段)。然而，在400℃下退火的DLC涂層，拉曼光譜分離成2個離散峰值，這與被稱為石墨化的典型的石墨碳完全相同。Si含量為3%的Si-DLC直到400℃仍保持原始的拉曼光譜，但在450℃時出現峰值分離。在500℃時Si含量為5%的Si-DLC的原始拉曼光譜略有變化。

(a)

(b)

(c)圖3　DLC和Si-DLC涂層的拉曼光譜

隨著Si含量的增加，退火并沒有對Si-DLC的結構產生影響。可以從圖4中所示的表面顏色變化和涂層厚度變化得到證實。

將Si原子濃度為7%的Si-DLC涂層通過放電發射光譜法測得，在挺桿緊接涂層表面 (約200 nm處) ， Si含量和O含量較高，C含量較低。預計在空氣中熱退火后，氧化硅層能起到阻礙氫和碳溢出的作用。隨著涂層薄膜上C含量的增加，會有更多的Si與碳粘結，并形成更多的sp3連接碳，這樣就能使熱退火后的結構得以穩定[6-7]。

(a)

(b)圖4　400℃退火后DLC和Si含量5%的Si-DLC的圖像

因此，Si-DLC熱穩定性的提高與Si含量成正比，但由于涂層硬度低，需要優化Si的含量。試驗中發現，Si含量為5%～9%的Si-DLC具有最佳的熱穩定性和機械性能。

3　Si-DLC的耐磨性

為了比較Si-DLC和DLC的耐磨性，采用圖1所示的電機拖動的發動機氣缸蓋試驗臺進行了多次耐久性試驗。試驗中使用2種為降低摩擦而添加二烷基二硫代甲酸鉬(MoDTC)的5W20 ILSAC GF4 和5W30 ACEA A5發動機機油，試驗分別安裝1組Si-DLC涂層挺桿和1組DLC涂層挺桿。

圖5所示為使用5W20機油時，Si含量7%的Si-DLC 涂層挺桿和DLC涂層挺桿的試驗結果。DLC涂層挺桿中心出現了部分磨損，而Si-DLC涂層挺桿未出現磨損。

圖5　　　　發動機缸蓋拖動試驗后DLC　　　和Si-DLC的磨損結果

圖6為試驗結果匯總。使用低黏度5W20機油時DLC出現磨損約為72%，但是，隨著Si含量的增加，出現磨損的比率有所下降。使用5w30機油時，硅含量為3%的涂層磨損顯著下降。這可以證實機油黏度和Si含量是影響磨損的2個重要參數。然而，為了實現較高的燃油效率，低黏度機油的使用量已有所增加，Si-DLC就是提高耐磨性的非常有效的解決方案。

(a)

(b)圖6　DLC和Si-DLC的磨損出現率

為評定Si-DLC的效果，使用5W20和5W30機油進行了300 h發動機試驗。圖7所示為4缸發動機的試驗結果。Si-DLC涂層挺桿未出現磨損，也未出現發動機性能和燃油效率方面的問題。因此，可以證實，Si-DLC涂層是1種耐用的低摩擦涂層。

圖7　Si-DLC涂層挺桿經發動機試驗后的結果

4　結語

與Cr-DLC和Ti-DLC涂層相比，添加Si的DLC涂層的摩擦最低。通過控制Si含量，仍然可以使涂層保持低摩擦特性，并能使耐磨性比DLC涂層有所提高。這是因為在涂層頂部形成的氧化硅層起到了熱障的作用。研究表明，Si含量5%～9%的Si-DLC 涂層挺桿具有最佳的耐磨性和耐久性。

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2015-11-27)