活塞銷涂層應(yīng)用試驗(yàn)研究

陳波，張利敏，趙志強(qiáng)，高麗英

(1.中北大學(xué)，山西 太原 030051；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

在軍用動(dòng)力轉(zhuǎn)速和燃燒壓力大幅增長(zhǎng)、體積大幅縮減的發(fā)展趨勢(shì)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(yán)苛工況條件。大量工程應(yīng)用表明，高功率密度柴油機(jī)活塞銷軸承磨損是導(dǎo)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(jī)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(guò)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(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性的類金剛石(Diamond-like carbon，簡(jiǎn)稱DLC)涂層引起了發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的廣泛關(guān)注[3-4]，并開(kāi)展了相關(guān)研究。為驗(yàn)證活塞銷沉積涂層后對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)械損失的影響，王剛等[5]研究了活塞銷表面沉積DLC涂層對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率損失的影響，并運(yùn)用轉(zhuǎn)移膜和石墨化兩種摩擦機(jī)制進(jìn)行了分析討論，結(jié)果表明應(yīng)用DLC涂層可有效改善活塞銷的表面潤(rùn)滑狀態(tài)，減緩零件工作條件下的磨損，延長(zhǎng)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(dòng)機(jī)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(qiáng)沖擊、周期性交變載荷作用下存在涂層脫落等可靠性問(wèn)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(qiáng)的抗磨損性能和較高的硬度[7-9]，相對(duì)其他減摩抗摩涂層在高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞銷的應(yīng)用上具有很大的優(yōu)勢(shì)。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(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行考核，測(cè)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(duì)高強(qiáng)化柴油機(jī)對(duì)活塞銷涂層的應(yīng)用需求，以沉積DLC和CrN兩種涂層的活塞銷為研究對(duì)象，在擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展摩擦學(xué)特性試驗(yàn)，與無(wú)涂層活塞銷的試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，為高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞銷涂層的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)樣件

試驗(yàn)采用自主開(kāi)發(fā)的擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖1)，在往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)下，模擬實(shí)際工作條件，包括載荷、頻率、溫度等參數(shù)，進(jìn)行擺動(dòng)摩擦副抗咬合和摩擦磨損性能試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電液伺服加載系統(tǒng)、軸承測(cè)試機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)等組成。

圖1 擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

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(yàn)用活塞銷試件為某型號(hào)高強(qiáng)化柴油機(jī)用活塞銷。活塞銷兩端開(kāi)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(guò)過(guò)盈裝配而成，襯套和襯套基座上分別開(kāi)有一個(gè)油孔，與油孔間隔180°處的襯套基座裝有熱電偶用于測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中襯套不同位置的溫度變化。試驗(yàn)件布置K1，K2和K3共3個(gè)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(yàn)方案

擺動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可模擬不同加載載荷和擺動(dòng)頻率等參數(shù)，考慮到試驗(yàn)需模擬最惡劣工況以及試驗(yàn)簡(jiǎn)化的需求，因此確定了如表1所示的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)過(guò)程中分別檢測(cè)K1，K2和K3這3個(gè)熱電偶所測(cè)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(rùn)滑油RP-4652D，飛濺潤(rùn)滑油流量為6 L/min；乏油是指不向軸承提供潤(rùn)滑油，但在磨合結(jié)束后仍殘留有部分潤(rùn)滑油在軸承中。

表1 連桿小頭軸承臺(tái)架模擬試驗(yàn)方案

3 活塞銷涂層應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果

3.1 活塞銷無(wú)涂層試驗(yàn)結(jié)果

圖3示出了無(wú)涂層活塞銷供油恒載狀態(tài)下的溫度變化。隨著試驗(yàn)開(kāi)始，K1，K2和K3位置處溫度迅速升高，其中K1處溫度值已超過(guò)220 ℃的限值，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，K1處溫度值略有下降，K2和K3處溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，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(yàn)初期活塞銷與襯套已發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損并導(dǎo)致溫度急劇升高。該試驗(yàn)后的活塞銷和襯套見(jiàn)圖4，活塞銷表面粘銅嚴(yán)重，與活塞銷配對(duì)的襯套出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的特征。

圖3 無(wú)涂層活塞銷供油恒載的溫升變化

圖4 無(wú)涂層活塞銷供油恒載試驗(yàn)件

圖5示出了無(wú)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(méi)有潤(rùn)滑油的冷卻作用以及缺乏有效的潤(rùn)滑，因此摩擦溫升與充分供油狀態(tài)有差別。隨著運(yùn)行時(shí)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(shuō)明在該工況下摩擦溫升已經(jīng)基本達(dá)到平衡狀態(tài)。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，K1，K2和K3處的溫度分別為263 ℃，245 ℃和200 ℃，此時(shí)的溫度基本為平衡溫度，且遠(yuǎn)超供油恒載狀態(tài)的試驗(yàn)溫度，表明乏油潤(rùn)滑摩擦生熱狀態(tài)更甚。在乏油狀態(tài)下進(jìn)行恒載試驗(yàn)，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，磨合工況殘留在軸承中的潤(rùn)滑油逐漸消耗，導(dǎo)致活塞銷表面出現(xiàn)機(jī)油燒焦的痕跡。該試驗(yàn)后的活塞銷和襯套見(jiàn)圖6，襯套靠近接觸區(qū)部分出現(xiàn)了橘黃微紅色，遠(yuǎn)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(wú)涂層活塞銷乏油恒載的溫度變化

圖6 無(wú)涂層活塞銷乏油恒載試驗(yàn)件

3.2 活塞銷CrN涂層試驗(yàn)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(shì)與相同工況下無(wú)涂層試驗(yàn)結(jié)果相似，但其摩擦溫升顯著降低。在同等時(shí)長(zhǎng)的試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，K1，K2，K3處的摩擦溫升分別為131 ℃，107 ℃和79 ℃，明顯小于無(wú)涂層活塞銷的試驗(yàn)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(shí)的58.5%。由此表明，活塞銷上沉積CrN涂層后，在惡劣工況下對(duì)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(yàn)后的活塞銷和襯套見(jiàn)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(méi)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(rùn)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(yàn)件

3.3 活塞銷DLC涂層試驗(yàn)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(diǎn)K1處溫度最高，其次為襯套承載邊緣點(diǎn)K2處溫度，K3處溫度最低。試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為25 min，各測(cè)點(diǎn)溫度近似線性平緩增加，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(yán)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(rùn)滑情況更為惡化，因此采用DLC涂層對(duì)于減摩和溫升抑制有明顯效果。該試驗(yàn)后的活塞銷和襯套見(jiàn)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(yán)重，局部區(qū)域表層脫落，由此表明該涂層在部分潤(rùn)滑異常工況會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)CrN和DLC活塞銷涂層開(kāi)展部件試驗(yàn)，試驗(yàn)表明CrN和DLC活塞銷涂層對(duì)于擺動(dòng)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。