用于柴油机共轨喷油系统的低摩擦涂层工艺

【日】 村上洋一　菅原博好

材料工艺

用于柴油机共轨喷油系统的低摩擦涂层工艺

【日】 村上洋一菅原博好

为了满足各种排放法规及燃油耗标准的限值要求，研究人员为柴油车开发了共轨喷油系统，目前，该系统已基本进入普及应用的阶段。提高共轨喷油系统滑动部件的耐磨损性、耐胶粘性，以及抗沉积物附着性能等摩擦学特性，是充分发挥系统功能的关键。介绍氮化铬（CrN）和类金刚石碳（DLC）覆膜等低摩擦涂层的开发与应用，开发了能满足上述摩擦学特性要求的表面处理工艺，实现了传统金属材料所无法达成的性能，同时，也指出了今后有待解决的课题。

共轨喷油系统涂层工艺磨损CrN涂层类金刚石碳覆膜

0　前言

时下，能源及环境问题正在引起广泛关注，以太阳能等天然能源的应用为契机，能源的应用及开发正呈现出多样化的趋势。在汽车制造行业，燃料电池车（FCV）被认为极具发展前景，但该技术要实现全球规模的普及应用尚需一定时日，而电动车的普及应用则已出现稳步发展的势头。另一方面，对由来已久且技术成熟的车用柴油机和汽油机的改进，进一步凸显出其重要性［1］。

有利于能源节约、环境保护的内燃机方面的课题主要可分为以下2个方面：（1）改善废气排放性能和燃油经济性；（2）适应生物燃料等燃料多样化的发展趋势。1995年，柴油机共轨喷油系统首次在商用车上得到应用（图1）［2］，如今该系统已成为适用于柴油车的主流技术。随着排放法规及燃油耗标准的逐年收紧（图2），共轨喷油系统的喷油压力不断提高，性能也在不断强化（图3）。目前，第4代共轨供油系统已能实现250 MPa的超高喷油压力，并且可以多级、多次喷油，大幅降低了燃油泄漏量，为降低汽车燃油耗和排放作出了贡献。另一方面，由于以生物柴油为首的生物质能源的出现，柴油机所处的燃料环境已出现较大变化，必须避免因燃料老化而生成并附着沉积物，进而导致滑动不良等故障的发生，这已成为当前极为重要的内燃机研究课题。由此，为适应包括生物柴油在内的各种燃料的应用需求，可提高滑动部件耐胶粘性、耐磨损性及抗沉积物附着性能的低摩擦涂层工艺已成为共轨喷油系统的关键技术。本文针对有利于能源节约、环境保护的柴油机共轨喷油系统相关技术，介绍低摩擦涂层工艺的开发状况及今后的课题。

1　用于共轨喷油系统的低摩擦涂层工艺

柴油车主要的排放问题是PM排放，但在通常情况下，PM排放与NOx排放之间存在折中关系，要同时降低这两种成分的排放，其难度较大。能解决这一课题的方法就是采用共轨喷油系统，该系统中包括用高压压送燃油的供油泵（图4），以及储存高压燃油的共轨油管和可实现每次循环多次喷油的喷油器（图5）。

在使用低黏度柴油燃料（柴油粘度为2.7 mm2/s；发动机机油粘度为30 mm2/s）进行润滑的情况下，由于使用超过200 MPa的高压压送燃油，供油泵及喷油器的滑动部件是在低润滑、高表面压力的苛刻环境下工作的。如采用普通的合金钢经热处理、电镀NiP等工艺的金属材料，将会产生热胶粘或异常磨损等情况，无法应用于共轨喷油系统。针对上述摩擦学课题，研究人员为供油泵的柱塞开发了CrN涂层工艺，也为喷油器的喷嘴针阀等部件开发了类金刚石碳（DLC）覆膜工艺，解决了耐胶粘性及耐磨损性方面的课题，为降低排放和改善燃油经济性作出了贡献。

除了要满足废气排放法规的限值要求，从燃料方面来讲，其环保对策也是极为重要的。基于石油资源面临枯竭的现状，生物燃料已开始在市场上流通，与普通柴油一样，各地区已在市场上推出各种新型燃料。对此，由于被视为“沉积物”的燃烧残渣等附着在滑动部件上而导致滑动不畅等已成为有待解决的重大课题，而DLC覆膜所具备的抗沉积物附着的性能则能针对这一课题发挥有效作用。

对于能获得上述摩擦学功能的涂层工艺而言，由于汽车零部件（包括与燃油系统相关的零部件）不同于刀具，是无法随时替换的零部件，因而必须确保其具有高可靠性，并能实现高生产率的成膜工艺。为确保可靠性，应注重以下2方面的开发工作：（1）基于不同使用环境（柴油润滑、高压）下的摩擦学现象（热胶粘、磨损、沉积物附着）机理，实施涂层工艺的开发；（2）确保涂层在高压条件下与基材良好的密合性。对于摩擦学机理，则运用纳米级的高精度分析技术，以及环境可控型润滑试验装置，并采用先进的可视化技术进行深入研究。针对因密合性差的瓶颈问题而无法广泛应用的DLC覆膜，研发人员则采取缓和覆膜内部应力等措施，解决了这一问题，实现了高可靠性。此外，由于成膜工艺及等离子体密度提高等技术的发展，生产率也得到了进一步的提高。

2　用于共轨喷油系统供油泵柱塞的CrN涂层开发［4-5］

2.1基于耐磨损特性选择涂层

在共轨喷油系统的供油泵中，柱塞与气缸体会产生200 MPa的高燃油压力，因此，滑动部位极为重要，其摩擦学环境也最为苛刻（图6）。在第1代共轨喷油系统中，系统要求的燃油压力仅为135 MPa，因此，只须对柱塞实施经热处理的电镀NiP，就能确保其满足要求的耐磨损性。然而，喷油系统高压化的趋势不断升级，在目前200 MPa的高压条件下，传统经热处理的电镀NiP等金属材料及处理工艺已无法满足耐磨损性、耐胶粘性的功能要求，必须开发出新型的陶瓷系涂层工艺。为此，要求达到的目标是，柴油车行驶100万km后，其磨损量能被抑制在初期磨合后的水平，并且不出现胶粘现象。

为了寻找能在柴油润滑条件下具有优异耐胶粘性及耐磨损性的涂层，利用以柴油环境为润滑条件的磨损试验装置，对几种备用的涂层材料进行评价。结果显示，几种涂层材料均呈现出较高的硬度，相比SUS440C及电镀NiP工艺，其余几种涂层的耐磨损性都有大幅提高，其中，CrN涂层的耐磨损性最为优异（图7）。CrN的硬度虽然略低于DLC覆膜及TiN涂层，但在柴油润滑条件下却呈现出极为优异的耐磨损性。为了解这一现象的机理，尝试对滑动部位表面的微量附着物进行分析。使用能够对毫微克级附着物进行分析的飞行时间二次离子质谱（TOFSIMS）法进行研究。图8中的横轴数据是利用TOFSIMS法得出的涂层侧滑动表面碳化氢与脂肪酸的总量，纵轴数据为单位磨损量，随着碳化氢与脂肪酸总量的增加，涂层的单位磨损量大致呈减少趋势。这是因为CrN涂层与柴油中的碳化氢及脂肪酸发生摩擦化学反应，从而增强了其附着力，而这一附着物质可以阻碍与摩擦副配对材料SUJ2之间的胶粘，由此提高了耐磨损性。

基于上述试样的评价结果，以及着重由分析方法得出的摩擦机理，将CrN涂层工艺应用于实体供油泵柱塞。利用相当于市场要求寿命的试验台耐久试验，评价喷油压力达200 MPa的供油泵柱塞CrN涂层的性能。结果显示，在规定的耐久试验后，柱塞未发生热胶粘现象，磨损量也维持在初期磨合后的极低水平（约为0 μm），达到了预定的目标。

2.2CrN涂层成膜工艺的开发［6］

CrN涂层成膜工艺的关键是膜与基材的密合性，以及硬度和膜厚的控制。利用透射式电子显微镜（TEM）观察密合性后可知，涂层密合性差的主要原因在于基材与覆膜界面存在由Fe及Cr构成的氧化物白色层，这被认为是在成膜工序前，以清洁母材表面为目的所实施的粒子轰击工序未能完全除去氧化物的结果（图9）。由于密合性受表面清洁程度的极大影响，所以，成膜工序前粒子轰击工序的条件管理极为重要。此外，偏电压及氮气压力对硬度的影响较大，电弧电流及成膜时间对膜厚的影响较大。只有明确成膜条件与覆膜特性之间的关系，并将其反映在管理参数上，才能确保稳定的量产品质。

3　喷油器用DLC覆膜的开发［7-9］

3.1基于耐磨损性要求选择涂层

为降低NOx排放，共轨喷油系统的喷油器可在几毫秒的1个燃烧循环中实现最多7次喷油。喷油控制是通过电磁阀式或压电式喷油器，控制活塞上下运动，利用高压燃油的流入和流出，开启或关闭喷油器前端的喷嘴针阀。喷嘴针阀等零件以约20 μm的位移量进行往复滑动，而柴油难以进入的滑动部位则极有可能出现无润滑的情况，从摩擦学角度来讲，这是极为苛刻的工作环境。

为了在上述滑动条件下选择最佳的涂层，同样利用试样进行测试。利用前文所述的评价方法，在油润滑条件及无润滑（空气）条件下对几种涂层进行评价（图10）。虽然在油润滑条件下，CrN涂层的耐磨损性最为优异，但在无润滑的空气状态下，相比其他涂层，DLC覆膜的摩擦因数和单位磨损量都更低，其摩擦性能也更为优异。考虑到这两种环境，选定DLC覆膜作为喷油器零件的表面处理工艺。DLC覆膜在无润滑环境下摩擦性能更为优异主要是因为DLC中的碳因滑动而发生石墨化，以及大气中的水分子吸附于碳的缘故。

3.2抗沉积物附着的研究［10］

生物柴油燃料中的脂肪酸甲酯（FAME）极易因氧化而发生老化现象，其老化程度随大豆或油菜籽等原料的不同而各有差异。像这样的燃料氧化老化后会生成沉积物，并堆积在喷油器中间隙仅几微米的狭窄滑动部位，造成滑动不畅等故障。FAME导致生成沉积物的机理极为复杂，如图11所示，首先是由于滑动导致柴油中的老化成分羧酸盐附着在金属材料表面，FAME的分解生成物又堆积在该附着物之上，最后形成沉积物。相应对策的关键是要避免因滑动而导致羧酸盐及甲酯分解生成物的附着。DLC覆膜的优势在于，其与羧酸等沉积物之间的表面自由能差较大，沉积物本身难以附着。并且，不仅对容易附着沉积物的铁质基材实施涂覆工艺，而且还采用耐磨损性优异的覆膜，避免因磨损而导致基材暴露。针对DLC与铁质基材表面因滑动而生成并附着沉积物的特性，采用带滑动试验装置的全反射红外线吸光分析装置（FT/IR）（图2），在含FAME的柴油润滑条件下进行试验评价。铁质材料表面因滑动而生成了羧酸，而施以DLC覆膜后，则完全抑制了羧酸的生成和附着（图13）。使用实机进行耐久试验，在几种原料中，即使是在使用最易生成沉积物的以大豆为原料的脂肪酸甲酯（SME）（20%配比）的情况下，DLC覆膜也能抑制沉积物的生成和附着，确保充分的耐久性。综上所述，可认为DLC覆膜是同时具备耐磨损性和抗沉积物附着性能优异的涂层。

3.3DLC覆膜的成膜工艺开发［6］

DLC覆膜的成膜工艺技术要点在于兼顾覆膜与基材的密合性和高生产率。对此，每种成膜方法都各有优缺点（表1）。为兼顾高密合性与高生产率，可采用通过形成与母材直接接合的中间层来实现成膜的溅射法，由此可以获得与母材的高密合性；在成膜工序中利用DLC的膜厚加快成膜速度的DLC成膜方法则有等离子体化学汽相沉积（CVD）法。相比CrN涂层工艺，DLC覆膜具有与其他材质没有的不易胶粘的优点，相反，DLC覆膜与基材的密合性就较差，这是有待解决的课题之一。在母材（Fe基）与外表面DLC覆膜之间配置与Fe晶体结构相似的Cr，构成Cr-WC/C-DLC的3层结构，在逐渐增加DLC的条件下成膜，以求缓和其内部应力。另外，在中间层成膜之前应对基材实施Ar离子蚀刻处理，但须注意的是，如处理时间过短或偏电压过低，则会因界面氧化物残留及基材表面活化不充分而导致发生密合性欠佳的现象。图14是运用TEM观察DLC基材与中间层界面的结构，图15是能散X射线光谱分析（EDX）的结果。由图14和图15可知，密合性好的试样界面显示出元素扩散良好的趋势。经充分Ar离子蚀刻和带倾斜结构中间层的DLC覆膜在洛氏硬度压痕试验中无涂层剥落现象，即使是在划痕试验中，也显示出超过50 N的良好密合性。另一方面，在量产过程中，在成膜装置外部布置多级磁铁，以避免接触到零件的等离子体逃逸，提高等离子体密度，可在4.5 h的短时间内对几千个零件实施成膜工序，提高了成膜速度（图16）。

作为汽车零部件的表面处理工艺，基于上述成膜方法和生产工序所开发出的DLC覆膜在与基材的密合性及成膜速度方面都达到了顶级水平，即便在实机耐久试验中，也能充分确保耐磨损性、抗沉积物附着性及耐热胶粘的性能。

表1　各种涂层工艺的比较

4　涂层工艺扩大应用的可能性

本文所述低摩擦涂层工艺是为了适应在高压及润滑不良的苛刻环境下工作的零部件所研发的，因此，其应用范围有望扩大到其他各个领域。产品小型化的需求并不仅限于汽车零部件，而是所有机械产品永恒的追求。在适应伴随产品小型化而产生的高表面压力方面，本文所述技术的通用性极好，除了可应用于发动机零部件外，在汽车的其他零部件（空调压缩机、电磁阀、液压泵等）上也可广泛应用。另外，家用空调压缩机及电机类产品、机床及树脂成形等生产设备用泵，以及刀具、金属模具等也均可应用这一工艺。另一方面，由于可在润滑性较差的柴油环境下发挥良好作用，在今后或将成为汽车主流的混合动力车及电动车等燃料及润滑油使用受限的无润滑条件下，施以新工艺的零部件也有望获得更高的性能。进而，这一新工艺还有可能出现在润滑不良极限的宇航及真空环境用泵等领域开展应用。

5　今后的课题

汽车零部件的低摩擦涂层工艺技术是伴随着相关环境法规的不断收紧而稳步发展起来的。从环保角度来考虑，今后对汽车零部件所要求的性能大致可分为以下3个方面：（1）燃料种类进一步多样化；（2）电动化；（3）发展FCV。在燃料多样化方面，除了生物燃料及乙醇燃料外，未来的燃料还将包括气制油（GTL）等合成燃料，以及二甲醚（DME）、压缩天然气（CNG）等，这就要求确保发动机零部件在这种近似真空状态的无润滑苛刻工作条件下具备良好的摩擦学特性。如果是处于像FCV那样的氢燃料环境下，那么，除近似于气体状态的无润滑苛刻工作条件外，还会因为金属的氧化膜被还原而导致胶粘现象增加，这就必须提高零件的耐胶粘性。在部件电动化的发展趋势中，则要求零部件具备包括绝缘性及低接触电阻等电气功能在内的复合摩擦学特性。总之，提高耐受无润滑的工作条件、耐胶粘性及电气特性方面的材料性能，为环保及节能做出贡献是零部件表面处理工艺技术开发的今后课题。

［1］村上，ほか.［J］.トライボロジー，2010，272（4）：44.

［2］岩田，ほか.［C］.自動車技術会秋季学術講演会予稿集，2009：5228.

［3］鈴木，ほか.［C］.自動車技術会春季学術講演会予稿集，2013 （1）：66-13.

［4］宮川，ほか.［C］.トライボロジー会議春予稿集，2002：279.

［5］越智，ほか.［C］.自動車技術会秋季学術講演会予稿集，2003：277.

［6］菅原，ほか.［J］.防錆管理，2012，56（7）：253.

［7］松本，ほか.［C］.自動車技術会春季学術講演会予稿集，2006：5093.

［8］越智，ほか.［C］.自動車技術会秋季学術講演会予稿集，2006：5768.

［9］稲吉，ほか.［C］.日本トライボロジー学会秋予稿集，2002：227.

［10］栗山，ほか.［C］.自動車技術会春季学術講演会予稿集，2011 （19）：65-11.

彭惠民译自機能材料，2014，34（2）

朱晓蓉校

朱晓蓉编辑

2015-01-27）