高溫柴油機活塞環(huán)和缸套摩擦學的發(fā)展

高溫柴油機活塞環(huán)?缸套摩擦學的發(fā)展摘要Adiabatics公司在美國陸軍坦克車和軍備司令部的支持下，研究了在低散熱柴油機的滑動接觸面使用類金剛石薄膜和鈦酸鐵的可行性。類金剛石一直是滑動接觸摩擦面的優(yōu)選材料，摩擦損失的明顯減少將會提高發(fā)動機的效率［1］。已經(jīng)存在多種應用類金剛石薄膜的技術。本文調查了這些技術中的幾種以及它們將來在汽車內燃機上的應用。我們重點研究在軍用低散熱柴油機上類金剛石的使用，這種柴油機的運行溫度和運行壓力比常規(guī)柴油機的要高。然而，也有將這種薄膜技術直接轉移到汽車柴油機或汽油機上的。本文展示了對不同種類的類金剛石薄膜之間試驗現(xiàn)象的研究，以及它們在內燃機上的適用性。引言隨著未來的發(fā)展，軍用柴油機有望不斷地傳輸更高的功率密度。從這一發(fā)展中，用于軍用發(fā)動機的技術可能也適用于商用高輸出發(fā)動機。人們在努力地逐步改善高輸出柴油機的發(fā)展，實施一些關鍵技術，比如，低散熱設計，改進燃油噴射系統(tǒng)，材料和包裝設計。我們大部分投入在新材料和低散熱摩擦學的考量上。特別地，我們重點研究氣缸與活塞環(huán)的接觸面。未來軍用柴油機的目標是使第一環(huán)逆轉溫度在370°C附近變化，以及將油底殼溫度控制在205°C左右。這兩種溫度比商用柴油機的二倍還要高。由于溫度會加速磨損，對于軍用發(fā)動機來說，典型的解決措施是安裝類金剛石薄膜以及安裝相配合的鈦酸鐵，這些措施預計能成為適用于商用車的發(fā)動機技術。在我們今天所展示的工作中，使該技術商業(yè)化是主要目的。在軍用柴油機領域過去的工作中，發(fā)展了一種技術：在氣缸內壁上噴涂鈦酸鐵來改善缸內的摩擦和提高耐磨性。鈦酸鐵陶瓷涂層應用于低溫凝膠過程。早期，我們集中于在缸孔配合面上使用鈦酸鐵涂層，通常是用70%到80%的鉬或二硫化鉬噴霧噴在活塞環(huán)涂層上，再采用Cr2O3進行后處理過程，這項技術在Adiabatics公司已經(jīng)很成熟。然而，生產這種活塞環(huán)所帶來的大量的額外費用使它不能進入市場，因為市場致力于形成合理的最低成本。因此，在90年代末，我們開始認真考慮在活塞環(huán)上鍍類金剛石薄膜。在此，我們要展示如何通過在柴油機上使用類金剛石薄膜來優(yōu)化摩擦學的運行參數(shù)。關于未來的軍用高輸出低散熱柴油機，還必須考慮到其他的工作.類金剛石與配合表面的選擇我們最先試驗的是商業(yè)上大量生產的類金剛石薄膜。這種薄膜應用于離子鍍膜法，也被稱作離子鍍膜型的類金剛石。當超出了由脂質酸和多元醇制成的合成潤滑劑的臨界溫度以后，這種膜就會使常規(guī)的活塞環(huán)涂層上的摩擦大量減少。兩種摩擦的比較如圖1a所示。在本文中，活塞環(huán)的二硫化鉬涂層被稱為基準涂層。當在鈦酸鐵缸孔內運行時，很明顯，類金剛石薄膜將產生比二硫化鉬涂層低得多

的摩擦系數(shù)。然而，耐磨性和耐用性成為主要問題。類金剛石薄膜（4-5微米）與“厚”二硫化鉬涂層（0.25毫米）相比非常薄。本質上，二硫化鉬涂層與離子鍍膜型的類金剛石薄膜相比有非常低的磨耗率，如圖1b所示。Temperature,°CEQ-CMTemperature,°CEQ-CM二OJEOCWOO圖1a：兩種類金剛石薄膜與二硫化鉬涂層的摩擦系數(shù)的比較由于類金剛石薄膜能提供如此低的摩擦系數(shù)，所以我們研究了多種類金剛石薄膜，來判斷一下是否所有的類金剛石薄膜都相似。除離子鍍膜型的類金剛石薄膜以外，我們還選擇了來自北京的雙離子束脈沖鍍膜型的類金剛石薄膜，中國也稱作DIBPAPVD，以及美國供應商使用的陰極電孤非晶碳薄膜，又稱作AC。還介紹了一種激光鍍膜型的類金剛石薄膜，又稱作LBA。我們還選擇了一種化學蒸汽沉積型的類金剛石薄膜，它是一種低溫等離子體增強式射頻鍍膜型薄膜，又稱作PE-CVD。表1列出了每種薄膜的基本特性。圖1b：兩種類金剛石薄膜與二硫化鉬涂層的磨耗率的比較

表1:各種類金剛石薄膜的特性FilmPropertyIBAPVDPE-CVDAmcrph.CathodicArc.AGDu^lknPulsePVDDIBPAL^serBeamAssistLMThickness1.5-2pmLA51.5jun0.4-J.5jirndL5gmBend3tren-gdiKg/cm:457?33E622&2EdgeRelenlionProblems425FlakingProblerncSurfwcERoughness〔lliriA-A)005C.Q2fl020.G20.01ApplicationTemp.PC)2321501?2HznDryFrictionCoefficieni(噸)Vs.FMKh0.1A-0.19WhenThereD.11-C.160.15-0.180.110.12WearKate[mg/min.)ft070.0350040.150.06MicrohardiKfs-DPH旬m1洌3,2M?,4C'C3,2如Nanohardness*ChecksCheckCheckedChecksNotYelCheckedReu)mmendedMxk_Use-Temp.郴42550Q425狽液體潤滑劑的選擇由于典型的低散熱柴油機在極限溫度下運行，于是摩擦成為它成功運行的致命要害。在活塞環(huán)行程的第一環(huán)逆轉點處，接觸面溫度最高，活塞環(huán)停止并開始反向運動，液體潤滑劑在此處非常關鍵。為了保護接觸面，需要一種好的潤滑液來提供合適的油膜厚度。從先前的工作中［5］，我們認識到：潤滑油的一個最重要的特性也許就是沉積物行成趨勢低。尤其是在環(huán)岸和活塞銷處，如果潤滑油形成積碳或清漆型沉積物，將導致活塞環(huán)或者活塞銷粘住。這些現(xiàn)象將會導致發(fā)動機失效，輕者重度失效，重者將造成災難性的后果。在我們最初的工作中，我們選擇了基本組分由脂質酸和多元醇制成的合成潤滑劑，它的臨界溫度接近350度。它只含有一種抗氧化添加劑。這種潤滑劑（稱作HXL）是美國新澤西州的海特高公司專門為這種鍍膜的低散熱發(fā)動機合成的。雖然這種減少沉積物形成數(shù)量的想法早已有了［6］，但是缺少特殊的添加劑可能會產生軸承接觸面和凸輪接觸面處其它的摩擦問題。這些問題已經(jīng)得到處理，但沒有在我們的工作中呈現(xiàn)出來。雖然使用含添加劑最少的潤滑油減少了沉積物數(shù)量，然而我們所展示的工作有助于進一步減少在低散熱強化發(fā)動機運行溫度時的沉積物生成量。盡管我們希望使用單一基料的潤滑油能解決沉積物的問題，但是我們還關心發(fā)動機其它部位受到的影響，其它部位可能需要afullyformulated潤滑油。我們對這些部位進行了檢測，但我們沒有在本文中論述。臺架試驗臺架試驗的試驗裝置如圖2所示。線接觸應力是可變的，但開始表示的是預測的活塞環(huán)載荷，這一預測值是在低散熱高輸出柴油機上觀測到的。在此試驗臺上，要進行一項比較類金剛石薄膜的試驗階段，該階段的摩擦從室溫下開始，直到低散熱發(fā)動機第一環(huán)逆轉溫度達到最大值為止。這一步是在額定負載條件下進行（0.757千克每平方毫米）。最初,摩擦系數(shù)很高，但是，隨著接觸面的不規(guī)則處受到磨損，接觸面上產生潤滑油膜，摩擦系數(shù)就會下降。降低溫度同時施加全負荷（1.514千克每平方毫米）。增加負荷以后，溫度又恢復到第一環(huán)逆轉溫度并保持該溫度直到試驗階段的末期。通常，由于負荷增加摩擦就會增加，但增加量會在許可范圍內。當潤滑劑的溫度達到臨界溫度時，油膜被破壞，摩擦系數(shù)就會達到最大值。當溫度超過潤滑油的臨界溫度時，由于潤滑油與接觸面之間產生化學反應，接觸面上形成邊界層，邊界潤滑條件形成，摩擦開始減少［7］。臺架試驗裝置的照片mafipenaeniwaierccoieaLubricantFeedLineENVIRONMENTALCHAMBER缸套涂層（在滾子上）的旋轉速度：160米/分鐘線接觸附加載荷： 0.757千克/毫米線接觸工作載荷： 1.514千克/毫米潤滑油進給速率： 2滴/分鐘振動10行程/分鐘.40毫米/行程圖2：熱磨損摩擦儀實驗裝置的照片以及運行工況下的示意圖試驗矩陣這項工作的試驗矩陣很簡單。以M50580%鉬涂層的活塞環(huán)作為基準，同時，將每種類金剛石薄膜安裝在鈦酸鐵缸孔涂層上進行試驗?；鶞蕯?shù)據(jù)只有使用路博潤公司的fullyformulatedMRI-1潤滑油試驗獲得。所有的類金剛石薄膜試驗使用的潤滑油都是HXL基料潤滑油。實驗結果中分析了試樣和滾子上的摩擦、磨損和沉積物生成情況。摩擦數(shù)據(jù)如圖3a所示，磨損數(shù)據(jù)如圖3b所示。0.14T0.14T CO一tsMAo蕓oe_Hoeo圖3a：不同類型的類金剛石薄膜之間的摩擦比較.配合面是鈦酸鐵凝膠，潤滑劑是HXL最低合成基料潤滑油

PVDAssistArc(6E)PVDAssistArc(6E)圖3b:不同類型的類金剛石薄膜之間的磨損比較.配合面是鈦酸鐵凝膠，潤滑劑是HXL最低合成基潤滑油很顯然，我們得到的某些試驗樣本存在質量問題或表面黏著問題。如圖4所示已列出了某些故障。圖4：與處于良好狀態(tài)的樣本相比，使用不同類型的類金剛石薄膜出現(xiàn)的問題試驗結果與分析在所有情況下，類金剛石薄膜都提供了相當?shù)偷哪Σ料禂?shù)。除了一個雙離子脈沖鍍膜型類金剛石薄膜以外，也都產生了比原來低的磨損速率，而且LBA型類金剛石薄膜沒有足夠的粘合強度。也許這些類金剛石薄膜經(jīng)過處理后導致薄膜與基面之間粘著性降低。由于我們沒能在適當?shù)臅r限內獲得新的樣本，所以這些薄膜沒有進行再測驗。所有的類金剛石薄膜都產生了比較低的摩擦效率，然而CVD型類金剛石薄膜表現(xiàn)出最好的耐磨性。很明顯，在活塞環(huán)樣本的行程逆轉點處磨損最嚴重。這與缸套-活塞環(huán)應用中的第一環(huán)逆轉溫度有關。從圖5中我們可以看到這種出現(xiàn)在逆轉點處的特殊的磨損現(xiàn)象。圖5：在試樣逆轉點處的磨損不管是通過視覺觀察還是通過圖3a提供的磨損速率計算值，都可看出：CVD型類金剛石薄膜（PE-CVD）的摩擦系數(shù)是最低的。當對圖3b的磨損數(shù)據(jù)進行比較時，說明了PE-CVD型的類金剛石薄膜是與鈦酸鐵缸孔涂層最匹配的。使用合成基料潤滑劑的DIBPA型類金剛石薄膜產生了最優(yōu)的磨損效果，然而，由于薄膜分裂脫層產生錯誤的“非試驗”結果，使得它不能再生。由于這一原因，PE-CVD型類金剛石薄膜被認為是更加符合的材料。從初期的試驗階段中，我們只能得出這樣的結論：類金剛石薄膜或許并不可靠，因為還存在一些未知的加工問題，或是更為重要的過度磨損問題。由于類金剛石薄膜很?。ㄍǔ２淮笥?微米），所以磨損問題是非常關鍵的。即使類金剛石薄膜表現(xiàn)出非常低的磨損率，使用壽命卻很短。因此，如果開發(fā)不出更厚的薄膜，我們就必須消除磨損問題。潤滑劑與添加劑的選擇高分子量的添加劑現(xiàn)在，我們的重點轉向了起決定性作用的潤滑油，潤滑油的性質將能提高類金剛石薄膜的壽命。我們選擇了市場上能買到的多種潤滑劑，并在PE-CVD薄膜和鈦酸鐵摩擦副上進行了試驗。經(jīng)過多次試驗以后，我們明顯地發(fā)現(xiàn)：含有高分子量基料或者添加劑成分的潤滑油對類金剛石薄膜的保護效果最好。含高分子量基料的液體能提供充分的保護，它要么是高重量高粘度的非合成潤滑劑，要么就是氟化原油。高重量高粘度的潤滑劑在試驗時產生了過多的沉積物。這是不允許的。而另一方面，氟化原油似乎燃燒起來非常清潔，但是在任何情況下價格都非常昂貴。成本很高，甚至大幅提高，使得它不能用在柴油機上。當處在低散熱柴油機的第一環(huán)逆轉高溫（370度）上時，活塞環(huán)與缸套的接觸面必須依靠潤滑劑的解吸附作用或者潤滑油中重分子的能力在這一點處形成一層邊界潤滑膜。這種油膜能起到保護類金剛石薄膜的作用。

我們解決這一問題的方法就是：在我們現(xiàn)有的潤滑劑中加入一種含氟聚合物或是聚四氟乙烯。我們試驗了許多市場上買到的產品，并清楚地看到：這些含氟聚合物的使用能形成邊界潤滑油膜來保護類金剛石涂層，而且能使薄膜有足夠高的預期壽命。該試驗是為了優(yōu)化所需的添加劑量，從而形成充分的邊界潤滑膜。圖6a和6b提供了一些含氟聚合物添加劑的試驗結果。LIo-ts-iJoLIo-ts-iJo-Eao一』^00圖6a：含不同氟聚合物添加劑的潤滑劑與專有的類金剛石化合物之間的摩擦比較

(EE)-lEGM(EE)-lEGM圖6b：含不同氟聚合物添加劑的潤滑劑與專有的類金剛石化合物之間的磨損比較與高分子量潤滑劑一樣，用以保護類金剛石涂層的含氟聚合物也產生了沉積物。沉積物的量遠遠少于那些含常規(guī)添加劑或石油基的潤滑劑所產生的，但也必須解決。低沉積氟聚合物潤滑劑通過在實驗室試驗，以及向潤滑油添加劑制造商咨詢，我們選擇了幾種不同的清潔劑和分散劑。我們在潤滑劑混合設備中加入許多種添加劑和含氟聚合物基油，但是有一些融入了內部，這是正常的。設備中產生了大約八種新的專有混合物，我們對這八種新的專有混合物進行了試驗。圖7給出了五種最好的混合物的摩擦結果，圖8給出了相應的磨損結果。EO一cMgOCBOWOOEO一cMgOCBOWOO混入清潔分散劑包的幾種專有含氟聚合物混合物之間的摩擦比較SLU)圖8：混入清潔分散劑包的幾種專有含氟聚合物混合物之間的磨損比較雖然我們用可視量表測量出了沉積物，但是這種最佳專有混合物產生了非常合適的摩擦磨損效果和沉積物形成趨勢。圖9將這種最佳混合物產生的沉積物以及類金剛石的狀態(tài)與最低添加劑潤滑油的高分子量制劑進行了相應的比較。當前的工作正是為了更好地評定這種新潤滑油的沉積物形成趨勢和抗氧化能力。圖9：沉積物水平與類金剛石狀態(tài)的比較.HXL高分子量制劑的高沉積現(xiàn)象（左），最佳含氟聚合物混合物的低沉積現(xiàn)象（右）小缸徑發(fā)動機的試驗我們在小缸徑的單缸發(fā)動機上試驗了最佳摩擦磨損副和無雜質的專有氟聚合物潤滑劑，這個發(fā)動機未經(jīng)冷卻且能顯示摩擦情況。該發(fā)動機的測試與先前的發(fā)動機測試一致。[8]圖10a給出了發(fā)動機測試裝置的圖片，圖10b描述了隔熱設計的示意圖，此隔熱設計使用的是熱障層（TBC）和“氣隙”隔熱。我們需要用此隔熱系統(tǒng)來提高缸套與活塞環(huán)接觸面的溫度，從而確定潤滑劑和摩擦表面的可行性。在這項測試中，摩擦表面有：氣缸內壁的鈦酸鐵涂層，活塞裙部、活塞頭部以及活塞環(huán)上的強等離子鍍膜型類金剛石薄膜。由于沉積物將第一道活塞環(huán)粘在環(huán)槽里而引起過量的曲軸箱竄氣，所以24小時以后試驗就停止了。雖然實驗結果有變化，但是，通過使用這次工作中開發(fā)的潤滑劑和混合物，顯示出了在活塞環(huán)和活塞裙部上使用PE-DLC型類金剛石薄膜的潛力。特別地，它可以應用在常規(guī)的水冷內燃機上，這些內燃機的溫度比軍用低散熱柴油機的低些。

圖10a：試驗臺上未冷卻的小缸徑試驗柴油機圖10b：熱障層，材料，“氣隙”隔熱。小缸徑試驗柴油機的設計圖本來，鍍在鋁活塞裙部的PE-CVD型類金剛石薄膜沒有出現(xiàn)任何問題（見圖11）。而活塞環(huán)上卻產生了不同的問題。試驗中第一道活塞環(huán)狀況良好，但是中間控油環(huán)的前緣出現(xiàn)過度磨損現(xiàn)象（見圖12）。因為我們之前做實驗時發(fā)現(xiàn)：活塞環(huán)基底對類金剛石薄膜的影響很大，所以試驗結果會有所變化。在試驗中我們使用鑄鐵活塞環(huán)，以M2硬化高速鋼作為基底。至于第一道環(huán)，由于其鑄鐵中嵌入了二硫化鉬涂層，于是我們嘗試了很多個環(huán)。最終測試的第一道環(huán)需要在應用PE-DLC之前覆蓋一層銘合金。我們還需要進一步試驗來優(yōu)化類金剛石薄膜的基底。

Anti-ThrustSideAfterTesting圖11:24小時試驗后，鋁活塞裙部的PE-CVD型類金剛石薄膜，類金剛石處于良好狀態(tài)總結與結論從對類金剛石薄膜和潤滑劑的研究中，我們能得出許多結論。具體如下:在潤滑和干燥的運行條件下，與常規(guī)噴涂二硫化鉬的活塞環(huán)相比，類金剛石薄膜形成的摩擦系數(shù)明顯降低。與IB型，AC型，PVD型的薄膜相比，PE-CVD型類金剛石薄膜形成的摩擦和磨損速率最低。當溫度大于第一環(huán)逆轉溫度（371°C）時，PE-CVD型類金剛石薄膜仍具有運行能力。當進一步考慮類金剛石薄膜的應用時，磨損成為主要問題。在活塞環(huán)試樣行程的逆轉點處，高分子量添加劑，比如含氟聚合物，能為類金剛石薄膜提供邊界潤滑保護。IntermediateOilControlRingAfterTesting圖12：經(jīng)過24小時試驗后，PE-CVD型類金剛石頂部的狀況以及中間控油環(huán)的狀況.第一道環(huán)狀況良好，而中間控油環(huán)的前緣出現(xiàn)磨損如果沒有高分子量添加劑，預計類金剛石薄膜不能使活塞環(huán)擁有足夠的磨損壽命，所以不能應用于軍用柴油機。除去添加劑包的HXL基潤滑劑沒有表現(xiàn)出期望的低沉積趨勢。然而在高溫下，專有的清潔劑和分散劑能降低沉積物的形成趨勢。在本文所述的工作中，我們研發(fā)出一種專有的含氟聚合物高溫潤滑劑，它能形成低沉積趨勢?；钊h(huán)基底進一步的對照試驗，應該能使結果更加完善。致謝特別感謝：中國國家摩擦實驗室的金教授和他的團隊，海特高公司的TomShaefer，Anatech公司的GeorgeBarr和JohnRoderique。正是由于他們的幫助，我們才完成了這項工作。參考文獻“DiamondandDiamond-Like-CarbonFilmsfortheTransportationIndustry",OfficeofTransportationMaterials,U.S.Dept.ofEnergy,ArgonneNationalLaboratory,Argonne,IL,February1992.“StructureandPropertiesofDiamondandDiamondLikeFilms",R.E.Clausing,Workshopon:DiamondandDiamondLikeCarbonFilms,Argonne,IL,1992.“AdvancementsinHighTemperatureCylinderLinerandPistonRingTribology",L.Kamo,R.Kamo,W.Bryzik,M.Mekari,Y.S.Jin,S.H.Li,SAEPaperNo.2000-01-1237,Feb.2000,Detroit,MI“CylinderLinerandPistonRingCoatingsforConventionalDieselEngines",L.Kamo,R.Kamo,D.Mundy,W.Bryzik,M.Mekari,ASME-ICETechnicalConference,Columbus,IN,1998.“LaboratoryDevelopmentandEnginePerformanceofNew