等离子体转移弧法制备的气缸内壁涂层和新型活塞环对新一代发动机的摩擦性能改进
L. Schramm, C. Verpoort, Aachen/D, A. Schwenk, Luckenbach/D, K. Bobzin, N.Bagcivan, T. Schla fer, S. Theiβ and K. Yilmaz, Aachen/D
热 喷 涂 技 术2012 年 9 月
摘 要：为了控制气候变化，欧盟已经承诺，到 2020 年，CO2气体的排放量将比 1990 年减少 30%。 二氧化碳总排放量的 20％来源于交通，其中道路交通占据了交通气体排放的 84%以上。 为了实现二氧化碳减排的目标，汽车行业不得不执行更严格的排放标准。 汽车行业减排只有通过减轻车身重量和提高发动机和传动系统的效率方可实现。 内燃机中接近 50%的能量用来克服活塞环与气缸内壁之间的摩擦阻力， 因此气缸内壁以及活塞环上均被涂上新型的低摩擦材料，以减少该部位带来的能量损失。 论文中采用线性往复摩擦试验机表征气缸壁和活塞环间的摩擦行为，以便找出最佳的涂层组合。
关键词： 等离子体转移弧；气缸；涂层；活塞环；摩擦
活塞环与气缸内壁的表面状态显著影响着内燃机的摩擦损耗， 进而直接影响二氧化碳的排放量，为了满足欧盟二氧化碳的减排标准，设备制造商们十分关注内燃机摩擦损耗的降低情况。 新型表面技术可以通过降低摩擦来减少二氧化碳的排放。在活塞销、 活塞环及阀门部件上采用物理气相沉积、化学气相沉积等涂层工艺可以降低部件表面的摩擦系数。热喷涂技术从气缸防护开始已经越来越多在汽车行业获得应用。 大众汽车 2002 年引入了美科公司的粉末等离子喷涂工艺；2005 年以来，戴姆勒一直采用了双丝电弧喷涂工艺；福特最近开始将自研的等离子体转移弧（ PTWA） 喷涂工艺应用于 2011 年生产的野马 V8 5.4 型铝合金气缸。 PT-WA 即丝材旋转热喷涂系统，其喷涂过程原理如图1 所示。
如上所述， 采用 PTWA 工艺制备的涂层取代Al-Si 合金发动机中的铸铁衬套， 采用 PTWA 在Al-Si 发动机表面制备涂层取代铸铁缸套可以减轻发动机重量，改善传热，减少气缸内壁和活塞环系统间的摩擦损失。 和其它热喷涂涂层一样，PTWA制备的涂层也有一定孔隙度，涂层制备完成后还要通过磨抛工艺以最终成型，如图 2 所示，在磨抛工艺过程中，涂层表面将形成一定的储油孔，将润滑油吸留在涂层结构中。 相比无孔隙的灰铸铁材料，热喷涂涂层因为一部分润滑油保留在开放的孔隙中，可以使摩擦过程更加顺畅，从而有效降低活塞环和气缸内壁间的磨损程度.
活塞在顶部与底部的往复摩擦过程是一种流体动力学摩擦， 在顶部与底部间往复冲程运动间，由较低滑动速度引起的边界摩擦效应和混合摩擦效应会使油膜破损，因此，活塞环与气缸壁接触表面在微观尺度上会彼此接触。 因此，在混合摩擦或流体力学摩擦， 乃至最苛刻的边界摩擦情况下，摩擦系数在润滑摩擦曲线（ 贝克曲线）中会显示增加（ 见图 3） ，尤其在摩擦磨损量与活塞环及缸筒材料性能紧密相关的区域，更为明显。
由于材料的物理和化学性能差异，PTWA 工艺制备的柱面涂层表面完全不同于灰铸铁材料。鉴于不同的气缸壁特点，新型活塞环材料必须使气缸内表面和活塞环表面组成的摩擦系统达到最佳的摩擦性能。
1 实验材料和方法
试验以灰铸铁衬套作参考， 活塞环材料有三种，气缸内壁的 PTWA 涂层有五种。 不同的 PTWA气缸内壁涂层由 GTV 公司（ 德国）制备。 活塞环涂层采用物理气相沉积法（ PVD）制备，由亚琛工业大学（ 亚琛，德国）和苏尔寿公司（ 贝尔吉施格拉德巴赫，德国）表面工程研究所共同完成。摩擦磨损试验采用线性往复摩擦磨损试验机在混合摩擦和边界摩擦试验条件下完成。
1.1 发动机气缸内表面材料
用图 4 所示，PTWA 喷涂工艺可以喷涂几乎所有材质的实芯或药芯焊丝，对材料的要求是所喷涂的焊丝材料必须导电。气缸内壁涂层的结构和性能受喷涂参数和喷涂用焊丝的影响。 本研究采用了 5种不同类型的焊丝材料（ 表 1），所用衬套为内径 83毫米的铝衬套。
喷涂材料的样品 PTWA-1、- 2、- 3 和 -4 所采用的喷涂材料为标准的常规合金钢焊丝，这类碳钢焊丝在以往的试验中已显示出良好的使用结果，并且因为其高的性价比，比较适合批量生产。 对喷涂样品 PTWA-5，所采用的喷涂材料为铁基 Al、Cr 合金丝材，合金元素的添加为了获得更好的耐蚀性能和耐磨损性能。 以标准的 GG-6 灰铸铁衬套做对比试验， 所有的 PTWA 涂层均采用以下所示的喷涂工艺参数获得。 等离子气体流量：70 slpm Ar；10slpm H2；载流气体流量：1,150 slpm Air；电流：65 A；送 丝 速 度 ：4.3m/min,Φ1.6 mm； 走 枪 速 度 ：150m/min；轴向进给速度：3 mm/rpm。
1.2 PTWA 涂层性能分析
对不同的 PTWA 涂层的氧化物含量、 平均孔隙率、 硬度和化学成分等性能参数进行了测定。PTWA 喷涂涂层的平均孔隙率和氧化物含量性能采用 带 有 数 字 图 像 分 析 系 统 （ Clemex Vision PE &Vision 5.0）的光学显微镜系统评价。前期采用背散射扫描电镜分析表明， 涂层微观结构较暗的物质主要是铁的氧化物，如图 5 所示。由此，对氧含量的测量，简化为采用电镜视场下的数字分析系统来完成。
平均值的计算来自于 5 个不同的采样点测量数据。 涂层的硬度测量采用“ Future Tech ”FM 300型 维氏硬度仪进行。 硬度平均值的测量在显微结构中的氧化物分布区域和非氧化物分布区域分别进行。不同相的化学组分分析在西门子 D5000 型 X射线衍射仪上进行。 图 6 显示了光学显微镜下0.82%碳钢丝 PTWA 涂层的截面剖面图。
1.2.1 氧化物和孔隙率分析结果
不同 PTWA 涂层以及铸铁材料的氧含量和孔隙率测量结果总结对比情况参见表 2。
碳钢材料样品 PTWA-1，- 2，- 3 和 - 4 所显示的平均孔隙率均在 4%～6%。 高铬、铝含量的铁基合金焊丝材料获得的涂层测得的平均孔隙率为3%， 灰铸铁材料测量所得的孔隙率几乎为零。 高铬、铝含量的铁基合金焊丝材料获得的涂层氧化物含量为 18%～22%，较碳钢材料涂层样品低 12%～15%，铸铁材料氧化物含量为 0。 观察结果显示，在相同的 PTWA 喷涂工艺下不同的碳钢基焊丝材料对涂层氧化物含量和孔隙率没有影响。 与 4 种碳钢基焊丝材料 PTWA 涂层相比，高铬、铝含量的铁基合金焊丝材料制备的 PTWA 涂层具有更低的氧化物含量和更低的孔隙率。
1.2.2 显微硬度测量结果
不同丝材制备的涂层的显微硬度测量结果列于表 3。
PTWA 涂层中的氧化和非氧化区域的平均显微硬度约相差 100 HV0.3。 与预想相同，涂层的显微硬度随涂层碳含量的增加而增加。碳钢基焊丝材料从含碳量 0.1%变为 0.8%是，涂层的显微硬度由370 HV0.3 上升为 420 HV0.3。 与碳钢基焊丝材料PTWA 涂层相比，高铬、铝含量的铁基合金焊丝材料 PTWA 涂层中的氧化和非氧化区域的平均显微硬度均下降 150HV0.3 左右。不计非氧化区域的话，PTWA 涂层显微硬度值比铸铁材料具有更高的硬度，后者的显微硬度值在 260-275HV0.3 间浮动。
1.2.3 XRD 分析结果
碳钢基丝材 PTWA 涂层的 X 射线衍射图案显示了相同的结果，在这些涂层中都发现了相同的铁氧化物，这些氧化物包括 FeO 和 Fe3O4（ 图 7） 。 这些氧化物可作为固体润滑材料使用。 在高铬、铝含量的铁基合金焊丝材料获得的涂层中， 检测出了FeO、Fe3O4以及不同相成分的铬氧化物和 Al2O3。
1.3 磨抛后的表面性能
磨抛后处理操作对气缸内表面的灰铸铁材料以及 PTWA 喷涂涂层来说都是最后一道工序。 磨抛过程会影响气缸内表面的表面结构。 PTWA 喷涂涂层以及灰铸铁衬套的磨抛均采用 D15 磨头以及32（ °）的磨抛角度，每个样品的表面特性均由马尔MFW-250 型表面轮廓仪记录下来， 从这些测量的结果计算出表面的储油性能。通过使用戴姆勒和格林开发的软件工具可以分计出润滑油留存在磨抛后结构和留存在未经磨抛的毛细孔隙内的量。测量所得的表面粗糙度值以及计算得到的润滑油留存量同列于表 4 中，磨抛后加工后涂层的最终厚度值为 130～170μm。
不同焊丝材料对涂层的 Ra、Rpk和 Rvk等表面粗糙度值影响不大，计算得到的磨抛结构及孔隙的存油量值也不因材料化学成分的不同有所变化。 磨抛后结构存油量为 0.023～0.025mm3/cm2，这个值几乎是未经磨抛孔隙存油量 0.011～0.014mm3/cm2的 2倍。 尽管同用 D15 的磨头进行测试，铸铁材料的表面粗糙度和存油量与 PTWA 喷涂涂层差异显著，这源于铸铁材料里几乎为 0 的孔隙率。 也正是这个原因， 铸铁材料的 Ra 和 Rvk 测量值比高孔隙率的PTWA 涂层要低。
2.1 活塞环材料
为了配合新型的 PTWA 涂层，优化摩擦配合系统的摩擦磨损行为， 需要对活塞环材料进行研究。在欧洲，汽油发动机中的顶级活塞环需要进行进行氮化处理，而在柴油发动机中的顶级活塞环采用氮化铬陶瓷涂层。 通过物理气相沉积和化学气相沉积工艺，薄膜层可施镀于活塞环基体材料上。 这些涂层及其摩擦学特性可以帮助减少气缸内壁和活塞环表面的摩擦和磨损。 在对摩擦现象的研究中，本文考察对比了以下活塞环材料的性能：—氮化钢活塞环（ x-90-Cr-Mo-V-18） ，此为研究中的比对材料—类金刚石（ DLC） 涂层活塞环，苏尔寿公司—CrAlN（ 氮化铬铝） 涂层活塞环，表面工程研究所（ IOT）
2.1.1 类金刚石涂层性能
类金刚石涂层由苏尔寿公司采用等离子体激活化学气相沉积（ PACVD）工艺制备而成，类金刚石涂层性能如下：常规硬度 42.1GPa±3.6Gpa；杨氏模量 273GPa±24Gpa；涂层厚度 0.9μm；粘结层及其厚度 CrN，2μm。 类金刚石涂层的扫描电镜断口形貌如图 8 所示。
2.1.2 CrAlN 涂层性能
CrAlN 涂层与类金刚石涂层一样沉积在标准的渗氮活塞环表面。 CrAlN 涂层是由表面工程研究所（ IOT）采用磁控溅射离子镀（ MSIP）方法沉积的。CrAlN 涂层性能如下：常规硬度 16.3GPa±1.7Gpa；杨 氏 模 量 269GPa ±29Gpa； 涂 层 厚 度 5.6μm。CrAlN 涂层截面断裂形态见图 9。
3 摩擦学测试装置
摩擦磨损试验在线性振动摩擦磨损试验机（ 图10）上进行，采用直线往复摩擦测试仪可模拟发生在活塞顶部和底部的极端磨损点的混合摩擦和边界摩擦行为。
在摩擦磨损测量装置中，活塞环压有一个 150N 的静态载荷与固定的圆柱内壁压应力结合，夹紧的活塞环在被加热的气缸内壁表面以 20 赫兹的频率和 4 mm 的行程进行滑动振荡，线性往复式摩擦试验机的摩擦测量试验参数如下： 压力 150 N；震动频率 20Hz；震动行程 4 mm；润滑油：福特总厂 oil5W30；油温 130℃；测试时间：2 h（ 7,200 S）；基本考核件：圆柱内壁部段，不同材料；对磨件：活塞环部段，不同材料。
3.1 线性往复摩擦磨损试验机测试实验结果分析
为了找到一个可获得最佳摩擦行为的活塞环和衬垫材料，对 6 种不同的衬垫材料和 3 种不同类型的活塞环材料间摩擦值进行了研究，所有摩擦磨损试验均进行了二次验证， 所获得的 18 组不同材不同的单气缸套测试材料和活塞环材料间的摩擦测量值在 0.066 到 0.118 范围间变化。 与标准渗氮活塞环相比， 沉积 DLC 涂层和 CrAlN 涂层的活塞环与几乎所有的气缸壁表面均显示出更低的摩擦值。 高碳含量的钢线以及铬钼合金线材（ 样品PTWA-5） 可有效减少摩擦，尤其在与 DLC 涂层和CrAlN 涂层活塞环对磨时。 0.1%普通碳钢线内添加铬和钼（ 样品 PTWA-2） 与 0.1%普通碳钢线（ 样品PTWA-1） 相比并无摩擦改进。 然而，参考于摩擦值，最好的材料组合是高铬、铝含量的铁基合金焊丝材料 （ PTWA-5）PTWA 涂层与 CrAlN 涂层活塞环 ， 其 次 是 0.8%碳 钢 焊 丝 材 料 PTWA 涂 层 与CrAlN 涂层活塞环。 灰铸铁缸套材料和氮化活塞环间的平均摩擦系数为 0.11，与其相比，高铬、铝含量的铁基合金焊丝材料 PTWA 涂层与 CrAlN 涂层活塞环间的平均摩擦系数可从 0.11 降到 0.066。
4 总结和结论
为了实现二氧化碳的排放目标，设备制造商越来越重视发动机系统摩擦损耗，尤其是汽缸和活塞环间的摩擦组合系统成为了关注的焦点。对 6 种不同的汽缸衬垫材料与 3 种活塞环材料间的摩擦性能进行了研究比较，采用 PTWA 喷涂工艺和 5 种不同的焊丝材料，在气缸内壁喷涂制备了涂层。 研究了涂层的显微硬度、氧化物含量、相组成以及孔隙等性能。 三种活塞环包括标准氮化活塞环、 带有DLC 膜层和 CrAlN 涂层的活塞环。相比于灰铸铁衬套，试验所用的不同焊丝都可以大大减少摩擦。 高铬、 铝含量的铁基合金焊丝材料 PTWA 涂层与CrAlN 涂层活塞环组合表现出最大的减磨潜力。 今后的研究重点将不再是灰铸铁衬套和大规模生产的活塞环，而是集中在 PTWA 气缸内壁涂层材料的磨损表现以及新涂层活塞环磨损行为表现。 此外，摩擦系数需要在增加滑动速度以模拟出活塞顶部和底部的极端磨损点在活塞冲程期间的润滑摩擦条件下来重新评估。 从而，摩擦需要在磨抛处理后的结构和孔隙率下来测试。为了衡量摩擦效果的改进对二氧化碳排放量的贡献，还需要做一系列的发动机与设计了气缸壁和活塞环表面工艺的新型发动机的机架对比试验。 此外，对气缸内壁的一个越来越重要的要求是对生物燃料和废气再循环的相容性和高耐腐蚀性。 因此，性能取决于焊丝原料的PTWA 涂层，可以比灰铸铁衬里材料有更好的腐蚀表现。 分析指出，新型 PTWA 缸孔涂层结合新的活塞环材料可以有效地帮助减少摩擦系统的摩擦损失，未来的发动机有望更加经济和环保。
参考文献略
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