內燃機軸瓦涂層的研究現狀*

□ 吳燁卿 □ 謝 懿 □ 高海生 □ 祝生祥 □ 文靜波 □ 曹 均,4,5 □ 洪 松

1.寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211 2.上海祥生貝克軸瓦有限公司 上海 201317 3.蕪湖美達機電實業有限公司 安徽蕪湖 241100 4.中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室 浙江寧波 315201 5.浙江省海洋材料與防護技術重點實驗室 浙江寧波 315201

1 研究背景

目前,理想的汽車內燃機需要具有功率大、體積小、功耗低、速度快等特點,這對內燃機軸瓦的工作條件提出了苛刻的要求。理想的軸瓦材料正朝著更高的抗疲勞強度,優良的耐磨性、順應性、嵌入性和耐腐蝕性,高載荷及高熔點等方向發展。一般而言,硬度高、承載能力強的軸瓦材料,其順應性及嵌入性較弱;而材料越軟,則順應性和嵌入性越強,但承載能力相對越弱。為了提高內燃機軸瓦的機械性能,盡可能滿足汽車制造業對軸瓦材料的各種使用要求,研發新型軸瓦合金材料及自潤滑涂層是當前提高軸瓦機械性能的主要方法。

現階段,我國的內燃機軸瓦合金材料主要分為巴氏合金、銅基合金及鋁基合金。對于現代汽車內燃機,Goudarzi[2]、Bora[3]等研究了干摩擦條件下巴氏合金的摩擦學性能。干摩擦狀態下,巴氏合金的摩擦因數為0.4～0.5。因抗疲勞強度較低、載荷能力不足,高性能的巴氏合金軸瓦還需高度依賴進口[4]。銅基合金摩擦因數在0.25～0.6之間,雖然擁有較高的承載能力及較高的抗疲勞強度,但是在運行過程中會產生大量熱量,降低基體強度及摩擦穩定性,縮短使用壽命[5]。鋁基合金軸瓦抗疲勞強度和承載能力約為巴氏合金軸瓦的兩倍,自潤滑性、咬合性和順應性高于銅基合金軸瓦,摩擦因數低于巴氏合金和銅基合金軸瓦,為0.2～0.25,是國內外中輕載滑動軸瓦的最主要材料[6]?？梢?單一合金的軸瓦已經不能滿足現代內燃機抗疲勞強度和咬合性的要求,且國內軸瓦合金材料機械性能遠低于國外。采用表面處理技術可以明顯提高軸瓦材料的機械性能,在國內,這一技術有一定的研究基礎[7]。相對于研發軸瓦合金材料,采用表面處理技術提高軸瓦機械性能是當前最簡單有效的方法。筆者詳細介紹合金軸瓦表面新型涂層的研究,討論各種涂層技術的研究現狀,通過對比各種工藝及軸瓦表面涂鍍層性能,為未來內燃機軸瓦的研究提供參考。

2 軸瓦涂層研究進展

軸瓦在內燃機啟停階段處于混合摩擦甚至干摩擦狀態[8],由巴氏合金、銅基合金及鋁基合金制備的軸瓦在干摩擦狀態下摩擦因數較高,這是導致內燃機軸瓦磨損失效的主要因素之一[9]。為了提高內燃機軸瓦的自潤滑性,降低摩擦耗能,延長使用壽命,通常在軸瓦合金材料上制備自潤滑涂層,目前主要的自潤滑涂層包括電鍍鍍層、磁控濺射薄膜及固體潤滑涂層[10]。

2.1 電鍍鍍層

電鍍鍍層原理如圖1所示,利用電鍍鍍層原理在軸瓦金屬表面鍍上一薄層其它金屬或合金,得到電鍍鍍層軸瓦[11]。

▲圖1 電鍍鍍層原理

在國內,應用于減摩合金的電鍍鍍層技術起步較晚。20世紀60年代初,武漢材料保護研究所和海陵第一配件廠首次研究并制備出了用于快艇發動機的電鍍鉛錫合金工藝。在電鍍鍍層軸瓦方面,20世紀70年代,上海合金軸瓦廠及上海滬東造船廠詳細研究了軸瓦電鍍合金工藝。1985年,哈爾濱工業大學與中國船舶總公司四六六廠共同研發了鉛錫銅三元合金減摩層電鍍工藝,并應用于鉛青銅滑動軸瓦上。20世紀90年代,范家華[12]對電鍍鍍層的成分及其對鍍層性能的影響進行了研究,并分析了鎳柵層、銅柵層的作用,提出了用盡量少的成本生產出高精度鍍層的方向。王會文等[13]提出了超聲除油工藝、酸洗工藝,來解決軸瓦電鍍三元合金預處理方面的問題,并設計了電鍍掛具,從而獲得厚度穩定均勻的鍍層。秦勝毅[14]在鋁基合金表面鍍一層成分為8%～12%錫、1%～3%銅、余量鋁的鋁-錫-銅三元合金,這一合金具有較高的抗疲勞強度及較好的順應性,適用于高轉速中型柴油機軸瓦。吳文俊[15]研究了應用于軸瓦減摩層的工藝參數,以及電鍍液中有關成分含量對鍍層性能的影響,進一步優化了電鍍工藝,提高了電鍍鍍層的質量。

電鍍技術在軸瓦鍍層上應用最為廣泛,表1總結了各種電鍍材料性能的相對比較值,值越大代表性能越好。鍍層的基體成分為鉛,加入銅之后,材料的耐磨性及硬度得到提高,但抗腐蝕性能較差,加入銦可有效改善抗腐蝕性能。

表1 電鍍材料性能相對比較值

試驗證明,鍍層中加入銅、錫,利用銅對錫的親和力,能保證錫不向基體擴散,從而提高鍍層的耐磨性和硬度,改善鍍層材料的使用性能,延長使用壽命。傳統軸瓦裝機運行的正常壽命為5 000 h左右,采用電鍍鍍層技術處理的軸瓦在運行2 000 h后拆機,發現其內表面磨損現象明顯,導致運行時振動及噪聲增大。此外,電鍍鍍層技術的應用伴隨大量污水排放,造成環境污染。隨著國家節能減排政策的實施,環保法律的日趨嚴格,電鍍鍍層技術開始逐步被淘汰。

2.2 磁控濺射薄膜

為了提高內燃機運行的可靠性,并減小運行振動及噪聲,軸瓦涂層在各項性能指標方面需要進行重大改進。高性能、更長使用壽命的濺射軸瓦開始推廣。近年來,國外一些著名軸承公司將研究重點放在新材料方面,對軸瓦鍍層材料開展了一系列研究,研發了一種微觀結構優良的軸瓦材料,其關鍵技術是對內燃機軸瓦濺鍍一層具有特殊組織結構的超微晶體結構材料。磁控濺射薄膜原理如圖2所示。磁控濺射薄膜使軸瓦具有極高的耐磨性和抗疲勞強度,以及極佳的摩擦學特性[16]。

▲圖2 磁控濺射薄膜原理

在國內,磁控濺射薄膜技術的研究起步較晚,郭亞軍等[17-18]利用磁控濺射技術在滑動軸瓦表面濺鍍了一層 A1Sn20薄膜,通過對薄膜表面形貌、組織結構、結合強度、硬度等方面進行對比分析,基本達到國際著名公司軸瓦的性能指標。2010年,吳文俊[19]通過研究明確了軸瓦自潤滑薄膜的磁控濺射工藝流程,基于試驗優化了影響濺射薄膜層附著強度、沉積速度、維氏硬度、減摩層斷面微觀形貌等的相關技術參數。于佃榮[20]通過FJL560D2 型超高真空磁控與離子束多功能濺射鍍膜設備制備鋁-錫-銅耐磨薄膜,其硬度相比鋁-錫鍍層有顯著提高,并有效提高了軸瓦的耐磨性。郭巧琴[21]采用非平衡磁控濺射離子鍍技術在鋁合金鍍層表面沉積類石墨鍍層,試驗表明,當基體偏壓為-120 V時,薄膜臨界載荷為42 N,維氏硬度(HV)最高達到235,摩擦因數為0.19。近年來,中國科學院蘭州化學物理研究所在磁控濺射薄膜技術方面開展了深入研究。關曉艷等[22]采用磁控濺射技術制備了不同鈦含量的二硫化鉬/鈦復合薄膜,在一定工況下,薄膜的摩擦因數低至0.02,磨損率低至10-17m3/(N·m),呈現出高承載、低摩擦、耐磨損的優異摩擦學性能。王永軍等[23-24]利用非平衡磁控濺射技術在單晶硅基底上沉積類石墨非晶碳膜,承載能力高達2.8 GPa,摩擦因數為0.05,磨損率為10-17m3/(N·m),呈現出優良的摩擦學性能。劉肖琳[25]利用直流磁控濺射方法在AlSn20Cu的基體上濺鍍一層成分不同的鋁-錫-銅薄膜,從而提高了內燃機軸瓦的硬度及耐磨性,延長了使用壽命。

表2總結了不同磁控濺射薄膜材料的性能。采用磁控濺射技術制備的軸瓦薄膜,耐磨性能出色,組織平整,與基體結合緊密,同時還能根據需求調節厚度,工藝過程可重復性好。當然,磁控濺射技術設備較昂貴,操作復雜,制備厚度為15 μm的自潤滑薄膜需要超過22 h的時間,在商業化生產中效率不高,難以達到產業化要求。

表2 磁控濺射薄膜材料性能對比

2.3 固體潤滑涂層

近年來,為了減少軸瓦涂層制備過程中的環境污染,節能減排,提高生產效率,推動新型涂層軸瓦的產業化發展,世界知名軸瓦公司相繼開發用于內燃機軸瓦的固體潤滑涂層技術。固體潤滑涂層技術的原理是將二硫化鉬、聚四氟乙烯等自潤滑粉末與樹脂、聚酰亞胺等黏結劑混合,制備自潤滑涂料,利用液體涂料噴涂技術在軸瓦表面噴涂,形成一層自潤滑涂層[26-27]。固體潤滑涂層工藝流程如圖3所示。

▲圖3 固體潤滑涂層工藝流程

奧地利米巴公司開發了以二硫化鉬和石墨為固體潤滑劑的聚合物涂層,噴涂在銅基軸瓦表面,形成軸瓦涂層,從而提高軸瓦的耐磨性和承載能力。美國菲特爾莫古公司研發了一種自潤滑聚合物涂層,基于復合自潤滑添加劑,噴涂于鋁基或銅基合金軸瓦表面。試驗發現,這一涂層的耐磨性相比傳統軸瓦涂層提高將近4倍,引起了專家的關注[28]。在國內,汪專武[29]采用納米技術,利用固體潤滑材料二硫化鉬和碳石墨制備了一種高性能復合涂層,噴涂在軸瓦的工作表面。測試表明,應用這一涂層,軸瓦的承載能力和摩擦學性能均優于應用電鍍鍍層。安宇鵬[30]采用噴涂技術在鋁基和銅基合金軸瓦表面制備了一種新型聚合物基固體潤滑涂層,添加納米金屬氧化物和六方氮化硼/石墨等作為增強和潤滑相。試驗測試表明,應用這一涂層,軸瓦的潤滑性能和耐磨性能優于或相當于國外同類產品,有望解決汽車內燃機啟停階段軸瓦磨損嚴重的問題。孟范蕾等[31]將聚苯并咪唑用作樹脂鍍層的基體,將固體潤滑劑二硫化鉬用作添加劑,開發出一種新型無鉛軸瓦材料。崔新然[32]將聚酰亞胺作為黏結劑,將納米氟碳作為潤滑相,輔以適量金屬氧化物作為增強相,制備出具有優異性能的發動機軸瓦聚合物復合涂層。測試結果表明,這一涂層具有良好的彈性回復能力,減摩耐磨耐候性能及滑動摩擦穩定性超越國外同類產品。

表3總結了不同固體潤滑涂層的性能。目前由于商業信息保密等原因,這方面很少有公開發表的最新研究成果,因此國內固體潤滑涂層的制備仍處于探索階段,大多數國內滑動軸瓦廠家仍在使用傳統方法進行生產,尚未解決進口軸瓦的替代問題。為了解決內燃機頻繁啟停過程中軸瓦磨損增大、快速失效問題,提升我國內燃機軸瓦質量及性能,應盡快掌握新型固體潤滑涂層的工藝技術。

表3 固體潤滑涂層性能對比

3 對比討論

電鍍鍍層、磁控濺射薄膜、固體潤滑涂層三者工藝技術的對比見表4。電鍍鍍層工藝雖然應用時間早,應用范圍廣,生產效率較高,成本低,但是因含有鉛,存在高污染的問題,與我國當前綠色發展的戰略不相匹配。此外,電鍍鍍層的耐磨性比較差,不能滿足我國供給側結構性改革對供給端產品質量提升的要求,因而面臨淘汰。磁控濺射薄膜技術雖然不存在環境污染問題,且耐磨性能好,但是相較于固體軟化涂層技術,存在生產效率低、成本高的弊端,大大制約了產業化、規模化發展。相比較而言,固體潤滑涂層不僅無污染,耐磨性能好,生產效率高,而且可以使生產成本保持在較低水平。固體潤滑涂層自潤滑的特點能夠使加工后的產品在-30～250 ℃寬溫域范圍內使用,有效降低摩擦因數,提高承載能力。

表4 工藝技術對比

綜上所述,固體潤滑涂層不論是在環保性、生產效率,還是在耐磨性、成本問題方面,都比其它兩種涂層更具優勢。加快對固體潤滑涂層技術的研發和突破,不僅能打破國外廠家的技術封鎖,而且能有效提升我國內燃機軸瓦的質量和性能,助推行業發展。

4 結束語

為了提高內燃機軸瓦的自潤滑性和耐磨性,延長使用壽命,筆者介紹了內燃機軸瓦新型涂層的研究進展。電鍍鍍層最早應用于內燃機軸瓦的制備,應用最為廣泛,目前因為電鍍鍍層生產造成環境高污染、電鍍鍍層耐磨性較差等原因,逐步被淘汰。采用磁控濺射技術制備軸瓦薄膜,耐磨性能出色,但設備昂貴,在商業化生產中效率不高,難以達到產業化要求。固體潤滑涂層技術作為一種新型軸瓦涂層制備技術,能夠制備高性能涂層,是汽車摩擦學領域中的一個重要前沿課題。下一步的發展方向是探索自潤滑性能更加出眾的涂層材料,延長內燃機的使用壽命,提高可靠性,同時不斷優化工藝路線,推動高性能軸瓦制備的產業化發展,以及軸瓦材料的更新換代。