高强化柴油机活塞裙部固体润滑剂涂层的抗摩擦性能评价

K.V.GAVRILOV A.V.MOROZOV M.V.SELEZNEV Y.V.ROZHDESTVENSKIIN.A.KHOZENIUK A.A.DOIKIN V.S.HUDYAKOV

比较了固体润滑涂层在高强化内燃机活塞裙-缸套耦合中降低摩擦和提高抗拉伤的耐摩擦性能。以高纯硫化钼和石墨为基础的聚合物粘结剂制成的各种改性涂层沉积于零件表面，并以石墨基涂层作为参考样品，成功地应用于重型车辆柴油机的钢活塞上。该研究在摩擦温度为110 ℃、正常负荷为50～450 N、往复频率为20.0 Hz的条件下进行，这与柴油机摩擦电偶的运行条件相似。分析结果表明，沉积的所有涂层显著降低了摩擦系数，在同时含有二硫化钼和石墨的有些涂层，其摩擦系数可降至0.12～0.14，符合在润滑材料存在或不存在直接金属接触的2种摩擦状态下摩擦表面的接触条件。

固体润滑涂层;拉伤;磨损;活塞裙部;石墨脂;钼脂

0 前言

研究人员对发动机的摩擦损失进行评估后，发现有高达66%的摩擦损失主要来自于活塞裙部、活塞环和轴承，剩余34%的摩擦损失则来自于配气机构和传动[1]。值得注意的是，文献[2，3]的试验数据也表明了活塞-缸套和活塞环-缸套所对应的摩擦损失占到了内燃机总摩擦损失的45%～50%。因此，当摩擦损失超过这一比例时，需要为发动机提供1种流体动力摩擦模式，并使用降低摩擦的涂层。

涂层材料可用于降低摩擦系数，从而降低燃料的消耗。因此，它們在特定的运行条件下能够避免摩擦表面增加磨损和拉伤，这对发动机的有效运行具有特殊的意义[4]。确切地说，涂层材料的这些特性可避免发动机发生因冷起动导致的喷油不足，因缸套的机械或热应变导致的局部间隙缺失，因燃油污染导致的机油润滑能力不足，出现极高的工作温度、润滑材料过度氧化等现象。在采用高强化柴油机的情况下，活塞会产生高热应变，这是由于特定的工作循环、混合摩擦和边界摩擦模式所导致的。在这种情况下，活塞裙部的摩擦和磨损过程也增加了多样性[5]。因此，增加涂层材料的抗摩擦性能[6-8]和改善活塞表面的初步工艺制备特性，对提升涂层与基体的附着力至关重要。

基于石墨、锡、铁、磷酸铝[9]等成分，如石墨浸润合成树脂（Grafal/EvoGlide）涂层、锡涂层、表面镀铁涂层等，被称为活塞裙涂层。Grafal/EvoGlide涂层的厚度接近20 μm，在聚合物基体中掺入有细小的石墨颗粒，并因基体材料粘结剂的成分不同而特性不同。需要指出的是，Grafal/EvoGlide涂层适用于各种类型的内燃机和活塞材料。锡涂层和以磷酸铝为基础的涂层，其适用性仅限于由铝合金制成的活塞。以磷酸铁为基础的涂层可用于钢和铝活塞，这种涂层可以减少15%～30%[10]的摩擦。而以石墨和/或二硫化钼为基础的特殊分层固体润滑涂层的沉积也是众所周知的[9-10]。在文献[10]中，研究人员提出了1种用于高强化柴油机活塞裙部的聚合物-石墨的复合涂层，并分析了不同牌号机油对该涂层耦合性能的影响状况。在文献[6]中，研究人员提出了1种基于石墨的固体润滑涂层，该涂层对减少摩擦、保护活塞裙、防止活塞环磨损和拉伤等都起到了积极的作用。因此，研究人员提出，应更关注于涂层沉积前对摩擦表面的初步制备过程，尤其是磷酸锰涂层，它不仅提高了涂层的附着力，而且还具有改善摩擦表面硬度等特性[7]。

需要指出的是，大多数内燃机摩擦系统使用的是固体润滑涂层，特别是活塞裙使用的固体润滑涂层是进口的，因此这种固体润滑涂层及其沉积技术与逐步淘汰进口涂层的问题是密切相关的。

本研究主要通过试验，对用于降低内燃机活塞裙-缸套摩擦磨损且具有抗磨损性的固体润滑涂层的抗摩擦性能进行研究。本文仅针对基于各种聚合物粘结剂与固体润滑抗磨填充物组合生成的涂层的效果进行评估，并进一步对涂层研究的合理性进行评价，其目的在于调查涂层的磨损寿命。

1 材料和方法

本试验选择了基于聚合物粘结剂的固体润滑涂层、高纯二硫化钼及石墨等材料进行分析。试验发现，所有涂层在活塞裙部表面沉积后，其厚度小于20 μm，这将会在新发动机滑动表面磨合时，以及在冷起动期间出现“缺油”模式时提供刮伤阻力。在本文中，涂层是通过带有粘结物质和溶剂的固体润滑材料保持悬浮，并通过阴极真空喷镀的方法来实现沉积的。研究人员选择了4组耐磨涂层进行试验，这些涂层由不同粘结剂聚合物和不同组分的混合物组成。这4组试样的组分情况分别如下：第1组涂层是基于32%的石墨与聚酰胺-酰亚胺粘合剂固化加热而成（试样编号为1007）;第2组涂料是以8%的石墨和28%的二硫化钼为基材，以苯酚甲醛为粘结剂，经高温固化而成（试样编号为1003）;第3组涂层是以3%的石墨和21%的二硫化钼为基材，以聚酰胺-酰亚胺为粘结剂，加热固化而成（试件编号为1066）;第4组涂层是以4%的石墨和26%的二硫化钼为基材，以聚酰胺-酰亚胺为粘结剂，加热固化而成（试件编号为1006）。在涂层固化后，研究人员发现在试样表面形成了1层较薄的组合膜，它可代表粘结剂物质的基体。此外，研究人员在基体组织中也发现了含有层状固体润滑材料的高分散颗粒，如石墨和/或二硫化钼。所有涂层的工作温度浮动范围可达250 ℃。

国外制造商生产的涂层（涂层编号为0010），因其可广泛用于保护重型车辆柴油机钢活塞裙以防止磨损加剧，所以研究人员也将其作为参考样本。研究人员通过FEI Quanta 650型扫描电子显微镜，测定了该涂层的化学成分主要成分是碳，且涂层中不含钼。研究所用的涂层0010号试样是在商用柴油发动机钢活塞的裙部通过销钉切割得到的。当试验结束后，研究人员为了消除试验涂层，对试样表面进行了喷砂处理，然后再沉积1层固体润滑涂层。为了提高耐磨性，研究人员对3～6组试样（表1）的金属表面进行了喷砂磷酸锰涂层处理。需要注意的是，涂层的耐磨性主要取决于它们与基材的附着力。因此，喷砂处理消除了屏蔽膜和活化表面，但磷酸盐涂层则额外形成了1个多孔的子层，其厚度接近3 μm，从而增强了附着力。

研究人员在同1台高强化发动机的缸套（材质密度 ρ 为7 000 kg/m3 的合金铸铁）上切取材料作为1号涂层试样。另外，研究人员在气缸套试样的工作表面进行了珩磨加工。

根据平板相对于压在其上的固定销试样进行往复运动的运动方案，研究人员在实验室摩擦计上完成了测定摩擦系数的试验（图1）。摩擦计的工作原理在文献[5]中有详细介绍。

测试前，研究人员将试样及板的表面先后置于Galosha油溶剂、乙醇中清洗，然后再将它们置于超声波浴（Sapfir 2.8）中清洗5 min，以消除污染。测试中，研究人员发现摩擦电偶并没有磨合，这是因为在磨合成品板表面的固态润滑涂层颗粒对板表面的磨蚀和磨损都发生在磨合阶段。为了更接近柴油机的实际工况，了解柴油机在临界工况下的短期边界摩擦模式，本文没有考虑磨合阶段的情况。

涂层摩擦系数测试试验是在50～450 N的负荷范围内，以100 N为步进，且负荷逐渐增大的状况下进行的。摩擦计上的最大负荷对应于高强化柴油机的比负荷临界值。研究人员将样件和板安装在摩擦计支架上，用盖子密封热室，并将摩擦副加热至105～115 ℃，随后暴露在空气中超过（60±5）min，从而确定了这个温度是模拟所研究材料的运行条件。由于板的往复频率是恒定值，其频率为20.0 Hz，位移幅值为6 mm，研究人员选取了每个加载值的测试时间为5 min。因此，1个带涂层试样的完整测试时间超过25 min。需要注意的是，研究人員之所以选用20.0 Hz的频率，是因为摩擦计中配置的张力测量传感器能够可靠地测量出0.1～20.0 Hz范围内的板振荡频率下的摩擦力。随着反固体位移频率的增加，研究人员发现所记录的摩擦力的实际值会出现边界紧缩。研究人员通过试验中记录的法向力、磨损固体的处理方式、摩擦力、路径及声发射等数据，也间接证明了在摩擦副中存在涂层，说明了仪器测量系统的摩擦是相互作用的。

在本研究中，研究人员对未受涂层保护的试样进行了一系列的试验，并对在有机油浸润的情况下连接器中的摩擦副进行了对比试验。第1种测试是通过喷砂去除试样表面的涂层，第2种测试是在板的表面加入2～4 mL粘度为SAE 5W40的机油。为了再现真实的工状并得到可靠的结果，研究人员共进行了3次试验。

2 结果和讨论

图2显示了摩擦系数 μ 对正常负荷 F 的典型依赖关系。这是在110 ℃的温度、板的往复频率恒定为20.0 Hz的情况下得到的。需要注意的是，在连接器有机油存在的情况下，有无涂层的试样的摩擦系数没有变化，因此，图2仅显示了1种使用了润滑材料涂层变体的结果（样品编号为1）。

为了获得可靠的数据，研究人员进行了一系列的试验，每个系列都代表了新制备的样本。研究人员还对试验得到的图表进行了统计分析处理，表1和图3给出了所有试样摩擦系数的计算平均值及其变化范围。

研究人员通过分析摩擦系数 μ 与正常负荷 F 的关系（图3）。结果表明，随着负荷的增加，涂层的摩擦系数均减小。这是由石墨或二硫化钼的固体润滑涂层所固有的特性决定的。在这种情况下，金属基体表面（样品编号为2）上没有磷酸锰涂层将导致耐磨性降低。这组试样在350～450 N高负荷作用下的试验表明，试样的摩擦系数不仅会增大，而且研究人员还观测到试样表面涂层出现了快速断裂。在试验过程中，研究人员收集到了相互作用的材料在接触时产生的声发射数据。通过分析试验数据，研究人员得出了有涂层试样的声辐射比无涂层试样少70%的结论，这也说明了摩擦过程是持续的。

研究人员发现，将二硫化钼引入涂层（试样组分别为1003、1066、1006）会导致摩擦系数降低（图3），相关文献中的试验已证实了基于二硫化钼的材料具有最高粘附强度，从而使这种效应合理化。换言之，随着接触压力的增加，这种涂层可以更有效地减少摩擦，这对内燃机活塞组的缸套来说是1个优势。随后，研究人员用聚酰胺-酰亚胺树脂作为粘结剂（1006组试样）与用酚醛树脂作为粘结剂（1003组试样）进行了比对，发现1006组试样涂层的摩擦阻力有一定的提高，具有边际优势。为合理提高0010试样涂层的摩擦系数，研究人员用Jeo1 JSM-7001扫描电子显微镜在50～5 000倍变焦下对试验后的试样表面进行了观测（图4），并用安装在显微镜上的Oxford INCA X-max 80能量分析仪对涂层进行了 X 射线荧光分析。光谱仪分析了原子序数为5（B）～92（U）的元素，该系统可实现自动化运行，灵敏度为0.1%，这是测试分析所必需的仪器。

通过对涂层1试样断面的显微组织分析（图4），研究人员得出以下结论：（1）涂层沉积采用磷酸锰涂层，其厚度接近3 μm;（2）测试后将涂层保留在试样上，其与磷酸锰子层的厚度接近10 μm。因此，可以认为摩擦系数的增加与涂层中保留石墨颗粒的聚合物粘结剂的性质有关。

3 结论

为了研究高强化柴油机活塞裙面涂层材料的摩擦和刮伤风险，研究人员对无润滑材料的暴露在短期边界且均匀干摩擦的涂层进行了试验研究。

研究表明，涂覆有固体润滑涂层试样的摩擦系数比无涂层试样的低，但刮伤风险比无涂层试样的高。研究人员在苯酚-酰甲醛粘结剂和聚酰胺-酰亚胺粘结剂的基础上，同时加入石墨和二硫化钼的涂层，可使高强化柴油活塞裙部的摩擦损失降低5倍，并可提高活塞裙部的使用寿命。需要注意的是，不添加二硫化钼的涂层具有较大的摩擦系数。

为了研究活塞-缸套摩擦副的工作情况，研究人员还需要对活塞裙部和缸套的摩擦特性进行一系列额外的试验，以评估其摩擦表面的磨损强度。在这种前提下，研究人员应特别注意在各种具有流变特性的机油中存在润滑材料的情况，并且需要研究带有固体润滑涂层的关联试样的运行条件。

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劉 涛 译自 Friction and Wear，2020，41（5）

吴 玲 编辑

（收稿时间：2021-02-18）