活塞销涂层应用试验研究

2019-04-30陈波张利敏赵志强高丽英

车用发动机 2019年2期

陈波，张利敏，赵志强，高丽英

(1.中北大学，山西太原 030051；2.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

在军用动力转速和燃烧压力大幅增长、体积大幅缩减的发展趋势下，活塞连杆组件直接面临承载频率和幅值倍增、热流密度大幅提高等更严苛工况条件。大量工程应用表明，高功率密度柴油机活塞销轴承磨损是导致活塞连杆组件失效的主要形式之一[1]。为提升活塞销的抗摩能力，在其表面沉积涂层是一种较为有效的方法。目前，在内燃机中已有大量的零部件使用了减摩涂层，例如活塞环、活塞、活塞销、轴承和齿轮等零件[2]。在新型功能涂层材料研究过程中，一种具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨性以及良好的化学稳定性和导热性的类金刚石(Diamond-like carbon，简称DLC)涂层引起了发动机行业的广泛关注[3-4]，并开展了相关研究。为验证活塞销沉积涂层后对内燃机机械损失的影响，王刚等[5]研究了活塞销表面沉积DLC涂层对发动机机械功率损失的影响，并运用转移膜和石墨化两种摩擦机制进行了分析讨论，结果表明应用DLC涂层可有效改善活塞销的表面润滑状态，减缓零件工作条件下的磨损，延长活塞销的使用寿命。Kong等[6]的研究也表明，DLC涂层用于2 L发动机活塞销上有效地提高了活塞销的耐磨损性能。由于DLC涂层在乏油、强冲击、周期性交变载荷作用下存在涂层脱落等可靠性问题，因此也有采用CrN涂层的活塞销，CrN涂层由于其良好的韧性、较低的摩擦系数、显著的耐高温性能、较强的抗磨损性能和较高的硬度[7-9]，相对其他减摩抗摩涂层在高强化柴油机活塞销的应用上具有很大的优势。Etsion等[10]在活塞销表面分别沉积DLC和CrN涂层，并搭建了活塞销测试试验台架进行考核，测试表明表面沉积DLC的活塞销摩擦系数略低于沉积CrN涂层的活塞销。

本研究针对高强化柴油机对活塞销涂层的应用需求，以沉积DLC和CrN两种涂层的活塞销为研究对象，在摆动摩擦磨损试验机上开展摩擦学特性试验，与无涂层活塞销的试验状态进行对比，为高强化柴油机活塞销涂层的应用提供技术支撑。

1 试验设备及试验样件

试验采用自主开发的摆动摩擦磨损试验机(见图1)，在往复摆动运动下，模拟实际工作条件，包括载荷、频率、温度等参数，进行摆动摩擦副抗咬合和摩擦磨损性能试验。该试验机主要由计算机控制系统、电液伺服加载系统、轴承测试机构、润滑及冷却系统等组成。

图1 摆动摩擦磨损试验机

图2示出了活塞销、轴承试件和安装座，以及热电偶布置位置。试验用活塞销试件为某型号高强化柴油机用活塞销。活塞销两端开有V型槽用于安装定位，轴承试件衬套为锡青铜材料。衬套与衬套基座通过过盈装配而成，衬套和衬套基座上分别开有一个油孔，与油孔间隔180°处的衬套基座装有热电偶用于测试试验过程中衬套不同位置的温度变化。试验件布置K1，K2和K3共3个热电偶，其中K1布置在衬套承载面外壁中心处，K2布置在衬套承载面外壁端面处，K3布置在沿K2径向偏45°方向处。

图2 活塞销及轴承安装座

2 试验方案

摆动摩擦磨损试验机可模拟不同加载载荷和摆动频率等参数，考虑到试验需模拟最恶劣工况以及试验简化的需求，因此确定了如表1所示的试验方案。试验过程中分别检测K1，K2和K3这3个热电偶所测位置的温度。表1中供油是指在轴承盖上端提供装甲车辆润滑油RP-4652D，飞溅润滑油流量为6 L/min；乏油是指不向轴承提供润滑油，但在磨合结束后仍残留有部分润滑油在轴承中。

表1 连杆小头轴承台架模拟试验方案

3 活塞销涂层应用试验结果

3.1 活塞销无涂层试验结果

图3示出了无涂层活塞销供油恒载状态下的温度变化。随着试验开始，K1，K2和K3位置处温度迅速升高，其中K1处温度值已超过220 ℃的限值，随着运行时间增加，K1处温度值略有下降，K2和K3处温度逐渐达到稳定状态。在试验结束时，K1，K2和K3处的温度分别为224 ℃，173 ℃，102 ℃。由此表明在供油状态下，试验初期活塞销与衬套已发生严重的粘着磨损并导致温度急剧升高。该试验后的活塞销和衬套见图4，活塞销表面粘铜严重，与活塞销配对的衬套出现严重磨损的特征。

图3 无涂层活塞销供油恒载的温升变化

图4 无涂层活塞销供油恒载试验件

图5示出了无涂层活塞销乏油恒载状态下的温度变化。在乏油状态下，由于没有润滑油的冷却作用以及缺乏有效的润滑，因此摩擦温升与充分供油状态有差别。随着运行时间的增加，摩擦温升也有所升高，但除了起始阶段温度迅速升高外，后续温度升高缓慢。说明在该工况下摩擦温升已经基本达到平衡状态。在试验结束时，K1，K2和K3处的温度分别为263 ℃，245 ℃和200 ℃，此时的温度基本为平衡温度，且远超供油恒载状态的试验温度，表明乏油润滑摩擦生热状态更甚。在乏油状态下进行恒载试验，随着试验进行，磨合工况残留在轴承中的润滑油逐渐消耗，导致活塞销表面出现机油烧焦的痕迹。该试验后的活塞销和衬套见图6，衬套靠近接触区部分出现了橘黄微红色，远离接触区部分出现了黄紫色，这是在干摩擦状态下高温作用的结果。

图5 无涂层活塞销乏油恒载的温度变化

图6 无涂层活塞销乏油恒载试验件

3.2 活塞销CrN涂层试验结果

图7示出了CrN活塞销供油恒载状态下的温度变化。由图可知，其温升变化趋势与相同工况下无涂层试验结果相似，但其摩擦温升显著降低。在同等时长的试验结束时，K1，K2，K3处的摩擦温升分别为131 ℃，107 ℃和79 ℃，明显小于无涂层活塞销的试验温度。活塞销上沉积CrN涂层后K1处的摩擦温升降低了105 ℃，仅为未沉积涂层时的58.5%。由此表明，活塞销上沉积CrN涂层后，在恶劣工况下对降低摩擦温升具有显著作用，这是CrN涂层良好的耐摩擦和抗粘着作用所致。该试验后的活塞销和衬套见图8，衬套部分磨损区域出现了较为粗糙的表面剥落现象，但磨损区域对比图5明显减小。虽然衬套出现磨损，但活塞销表面光滑，没有粘铜的现象，由此表明CrN涂层活塞销的耐磨和抗咬合性能较优，该涂层更适用于高载荷、润滑条件差的工况。

图7 CrN活塞销供油恒载的温升变化

图8 CrN活塞销供油恒载试验件

3.3 活塞销DLC涂层试验结果

图9示出了DLC活塞销乏油恒载状态下的温度变化，图中衬套承载中心点K1处温度最高，其次为衬套承载边缘点K2处温度，K3处温度最低。试验总时长为25 min，各测点温度近似线性平缓增加，试验结束时K1，K2，K3处的摩擦温升分别为216 ℃，183 ℃，150 ℃。采用DLC活塞销摩擦生热率并不高，衬套与活塞销表面发生持续的但并不严重的粗糙接触，产生的摩擦热量不断累积使试样温度不断升高。活塞销上沉积DLC涂层后，K1处的摩擦温升降低了47 ℃，考虑到乏油工况润滑情况更为恶化，因此采用DLC涂层对于减摩和温升抑制有明显效果。该试验后的活塞销和衬套见图10，DLC摩擦表面出现明显粘铜现象，但DLC涂层未出现脱落现象，衬套表面磨损严重，局部区域表层脱落，由此表明该涂层在部分润滑异常工况会出现严重的粘着磨损。