用於提高發動機部件效率的摩擦催化Mo-X-N塗層系統
採用表面塗層是減少內燃機摩擦損失的有效措施之一。在配氣機構中，優化挺柱和凸輪軸之間的摩擦接觸具有較高的技術潛力。Schaeffler公司提出了1種採用納米結構的摩擦催化物理氣相沉積(PVD)塗層系統，可在受應力作用的表面形成保護性摩擦膜。
根據統計，由於摩擦和磨損等現象的存在，各類設備在運作過程中約損失25%的能量。根據Holmberg等的分析，在全球的交通、製造、發電和家庭應用等4個領域，由摩擦接觸造成的能量損失可達119 EJ。其中，103 EJ用於克服摩擦，16 EJ用於製造因磨損而失效的組件。這些能量損失會對經濟和生態造成重大影響。由於降低CO2排放的需求與日俱增，因此減少車用發動機中因摩擦接觸造成的能量損失變得越來越重要。爲了提高能效，物理氣相沉積(PVD)塗層系統已成功用於發動機高應力部件。以桶式挺柱和凸輪軸之間的摩擦接觸爲例，雖然PVD塗層具有降低摩擦的潛力，但由於複雜的運動學特性和不同的接觸壓力，對於塗層的要求也相對較高。1種新方法是採用由鉬、摩擦催化活性元素(X)和氮組成的納米結構摩擦催化Mo-X-NPVD 塗層系統。通過與基礎油及其添加劑的相互作用，該塗層系統可在受摩擦應力作用的表面連續形成保護性摩擦膜。
1 塗層和潤滑劑
研究人員在銷盤式(PoD)摩擦計和單挺柱/單凸輪試驗檯上，對由16MnCr5(AISI5115)製成的機械挺柱開展了摩擦試驗。在塗覆前，研究人員將氮碳共滲和硬化的挺柱進行表面拋光，使其平均粗糙度Ra=0.02±0.002 μm，並採用了PVD技術沉積類金剛石碳(DLC)塗層和Mo-X-N 塗層。在塗覆後，研究人員對採用DLC塗層的挺柱進行了額外處理。試驗採用了2種國際自動機工程師學會(SAE)黏度爲0W20的機油和1種聚α烯烴合成油(PAO8)。各類樣品的特性如表1所示。
表1 樣品特性
研究人員通過PoD摩擦計評估了帶有塗層的挺柱的摩擦及磨損特性(採用PAO8和0W20機油)。爲了開展試驗，在環境條件下(T=19.8±1 °C，相對溼度(RH)=37.7±7.2 %)，使其直徑ϕ=10 mm、平均粗糙度Ra=0.02 μm、HV10硬度=820±80、由100Cr6(AISI52100)製成的球與帶塗層的挺柱進行潤滑滑動接觸，分別在滑動速度v=0.1 m/s，摩擦半徑R=12.5 mm，滑動距離s=1 136.4 m 和法向力F=40 N時保持恆定。在試驗之前，研究人員通過吸移管將機油均勻地塗抹在挺柱表面，塗抹量爲5 μL。
3 單挺柱/單凸輪試驗檯
研究人員通過採用單挺柱/單凸輪試驗檯，在PAO8潤滑條件下對帶塗層的挺柱的磨損特性進行了研究(圖1)。該試驗檯配備了配氣機構組件，可確保應力條件與實際應用相似。這些組件包括從100Cr6(AISI52500)凸輪軸上拆分的單個凸輪(HV10硬度=725±25，平均粗糙度Ra=0.5 μm)、1個機械挺柱和1個氣門彈簧。
圖1 單挺柱/單凸輪試驗檯的試驗裝置(a)及其採用的配氣機構組件(b)
研究人員根據針對第3類車輛的全球統一輕型車試驗循環(WLTC)，在600~1 900 r/min的較低凸輪軸轉速下進行磨損測量，循環時間爲20 min。入口的油溫始終保持在90 °C左右。試驗在邊界摩擦和混合摩擦下以較低的凸輪軸轉速運行，通常會使發動機的摩擦損失達到最大，同時使表面的摩擦應力更高。
經過48 h的試驗後，研究人員取出挺柱，通過共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)進行磨損測量，然後重新安裝並再次進行長達48 h的試驗。試驗時間總計達96 h後，研究人員再次通過CLSM來分析磨損。
4 採用PAO8基礎油的摩擦學研究
由PoD摩擦計試驗可知，Mo-X-N 塗層(最終平均值，靜摩擦係數μs=0.11)與無塗層樣品(μs=0.12)相比，在整個滑動路徑上的摩擦均得以顯著降低。正如預期，塗有DLC的樣品具有較小的靜摩擦係數(μs=0.09)。
圖2示出了無塗層樣品和帶Mo-X-N 塗層的樣品在摩擦試驗後的磨損痕跡表面及輪廓。採用拉曼光譜分析法(圖2中未顯示)開展的研究表明，在16MnCr5鋼表面的磨損痕跡中含有氧化鐵，這與氧化磨損有關。
圖2 PoD試驗後，測量磨損痕跡的CLSM 圖像和輪廓
帶Mo-X-N塗層的挺柱並未檢測到磨損，承受摩擦應力的區域僅出現了變色現象。拉曼光譜分析顯示，摩擦膜含有與無塗層樣品相似的氧化鐵成分。然而，與無塗層樣品相比，帶Mo-X-N塗層的樣品的摩擦膜雖含有氧化鐵成分，但並未檢測到磨損，並且摩擦性能也得到了有效改善。採用DLC塗層的樣品同樣也未檢測到磨損。
研究人員在單挺柱/單凸輪試驗檯上採用PAO8，並進行了摩擦學研究。圖3示出了無塗層挺柱、帶Mo-X-N塗層的挺柱和帶DLC塗層的挺柱分別在48 h和96 h試驗後的表面輪廓和圖像。由於挺柱處於旋轉狀態，研究人員在這2種情況下均可觀察到同心圓標記。這些標記表示挺柱在磨損試驗期間，在混合潤滑和邊界潤滑條件下的運行過程。無塗層挺柱在中心附近區域磨損較嚴重，這與超過800 MPa的最高接觸壓力有關。由此引起的較薄油膜厚度和最高滑動速度摩擦應力最高的區域也僅觀察到變色和輕微的表面拋光。研究人員在採用DLC塗層的挺柱上，僅觀察到輕微的表面拋光，並未檢測到磨損。
圖3 在單挺柱/單凸輪試驗檯上採用PAO8進行試驗後，無塗層、帶Mo-X-N塗層和帶DLC塗層的挺柱的表面輪廓與圖像
經過96 h的試驗後，研究人員對帶Mo-X-N塗層的挺柱的高應力區域進行了二次中性質譜(SNMS)分析。結果表明，碳和氧主要分佈在近表面區域(圖4(a))，拉曼分析證明了其表面存在氧化鐵化合物。碳的富集現象是塗層與PAO8相互作用的結果，由此促使了摩擦膜的形成。此外，表面區域明顯可見摩擦催化元素X，其直接關係到摩擦膜(由配對體和潤滑劑的材料成分組成)的形成，從而能防止表面磨損現象的出現(圖4(b))。
圖4 Mo-X-N塗層的SNMS分析和採用PAO8的摩擦膜形成機理
5 採用0W20機油的進一步研究
爲開展進一步研究，研究人員在PoD試驗中採用了2種不同的0W20機油(採用和不採用含鉬添加劑)研究納米結構Mo-X-N塗層的摩擦特性。如圖5所示，與無塗層的拋光鋼表面相比，採用Mo-X-N塗層時的摩擦得以明顯改善。在機油不採用含鉬添加劑的情況下，摩擦降低了20%。與無塗層樣品相比，採用含鉬添加劑的機油可使摩擦進一步降低約35%。這些結果表明，摩擦催化Mo-X-N塗層系統與含鉬潤滑劑相結合，在降低摩擦方面具有巨大潛力。
圖5 在PoD摩擦計研究中，帶Mo-X-N塗層的樣品與無塗層樣品相比，在採用含鉬潤滑劑和不含鉬潤滑劑時的摩擦降低情況
6 結論
採用PAO8時，由於形成了摩擦膜，所以納米結構Mo-X-N塗層在PoD摩擦計試驗和單挺柱/單凸輪試驗檯中均表現出與DLC塗層相同的磨損特性。在純滑動條件下，Mo-X-N塗層上的摩擦膜由氧化鐵化合物組成。在混合與邊界摩擦條件下(高應力的挺柱/凸輪接觸)，Mo-X-N塗層上的摩擦膜由氧化鐵化合物和碳組成。在PoD試驗中，與無塗層的拋光鋼表面相比，Mo-X-N塗層與含鉬0W20機油的結合可使摩擦降低35%。這說明在邊界和混合摩擦條件下，納米結構的摩擦催化Mo-X-N塗層具有提高發動機部件效率的巨大潛力。
本文發表於《汽車與新動力》雜誌2021年第2期
作者：[德]L.DOBRENIZKI
整理：李媛媛
編輯：伍賽特
