高温柴油机活塞环和缸套摩擦学的发展

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1、高温柴油机活塞环•缸套摩擦学的发展摘要Adiabatics公司在美国陆军坦克车和军备司令部的支持下，研究了在低散热柴油机的滑动接触面使用类金刚石薄膜和钛酸铁的可行性。类金刚石一直是滑动接触摩擦面的优选材料，摩擦损失的明显减少将会提高发动机的效率［1

2、。已经存在多种应用类金刚石薄膜的技术。本文调查了这些技术中的儿种以及它们将来在汽车内燃机上的应用。我们重点研究在军用低散热柴油机上类金刚石的使用，这种柴油机的运行温度和运行压力比常规柴油机的要高。然而，也有将这种薄膜技术直接转移到汽车柴油机或汽油机上的。本文展示了对不同种类的类金刚石薄膜之间试验现象的研究，以及它们

3、在内燃机上的适用性。引言随着未來的发展，军用柴油机有望不断地传输更高的功率密度。从这一发展中，用于军用发动机的技术可能也适用于商用高输出发动机。人们在努力地逐步改善高输岀柴油机的发展，实施一些关键技术，比如，低散热设计，改进燃油喷射系统，材料和包装设计。我们大部分投入在新材料和低散热摩擦学的考量上。特别地，我们垂点研究气缸与活塞环的接触面。未来军用柴油机的目标是使第一环逆转温度在370°C附近变化，以及将油底壳温度控制在205°C左右。这两种温度比商用柴油机的二倍述要高。由于温度会加速磨损，对于军用发动机来说，典型的解决措施是安装类金刚石薄膜以及安装和配合的钛

4、酸铁，这些措施预计能成为适用于商用车的发动机技术。在我们今天所展示的工作中，使该技术商业化是主要目的。在军用柴油机领域过去的工作中，发展了一种技术：在气缸内壁上喷涂钛酸铁来改善缸内的摩擦和提高耐磨性。钛酸铁陶瓷涂层应用于低温凝胶过程。早期,我们集屮于在缸孔配合面上使用钛酸铁涂层，通常是用70%到80%的钳或二硫化钳喷雾喷在活塞环涂层上，再采用Cr203进行后处理过程，这项技术在Adiabatics公司已经很成熟。然而，生产这种活塞环所带来的大量的额外费用使它不能进入市场，因为市场致力于形成合理的最低成木。因此，在90年代末，我们开始认真考虑在活塞环上镀类金刚石

5、薄膜。在此，我们要展示如何通过在柴油机上使用类金刚石薄膜來优化摩擦学的运行参数。关于未來的军用高输出低散热柴油机，述必须考虑到其他的工作.类金刚石与配合表面的选择我们最先试验的是商业上大量生产的类金刚石薄膜。这种薄膜应用于离子镀膜法，也被称作离子镀膜型的类金刚石。当超出了由脂质酸和多元醇制成的合成润滑剂的临界温度以后，这种膜就会使常规的活塞环涂层上的摩擦大量减少。两种摩擦的比较如图la所示。在木文中，活塞环的二硫化釦涂层被称为基准涂层。当在钛酸铁缸孔内运行吋，很明显，类金刚石薄膜将产生比二硫化钳涂层低得多的摩擦系数。然而，耐磨性和耐用性成为主要问题。类金刚石薄

6、膜（4・5微米）与“厚”二硫化钳涂层（0.25毫米）相比非常薄。本质上，二硫化钳涂层与离子镀膜型的类金刚石薄膜相比有非常低的磨耗率，如图lb所示。LubricantSyntheticBasestockQI。Anti-oxidantAdditiveOnly0.02UOQO一上joWOEaoo0.00(0100200300Temperature,°C图la：两种类金刚石薄膜与二硫化钳涂层的摩擦系数的比较由于类金刚石薄膜能提供如此低的摩擦系数，所以我们研究了多种类金刚石薄膜，来判断一下是否所有的类金刚石薄膜都相似。除离子镀膜型的类金刚石薄膜以外，我们还选择了来自北京

7、的双离子束脉冲镀膜型的类金刚石薄膜，屮国也称作DIBPAPVD,以及美国供应商使用的阴极电弧非品碳薄膜，又称作AC。还介绍了一种激光镀膜型的类金刚石薄膜，乂称作LBAo我们还选择了一种化学蒸汽沉积型的类金刚石薄膜，它是一种低温等离了体增强式射频镀膜型薄膜,又称作PE-CVDo表1列出了每种薄膜的基本特性。(601)0.02000.01500.01000.00500.0000LubricantSyntheticBasestockAntioxidantAdditiveOnly123MolySprayPVDDLCPE-CVDDLC图lb：两种类金刚石薄膜与二硫化钳

8、涂层的磨耗率的比较表1:各种类金刚石薄膜的特性FilmPropertyIBAPVDPE-CVDAmorph.CathodicArcACDualIonPulsePVDDIBPALaserBeamAssistLBAThickness1.5-2gm1.5-5gm1.5gm04・1.5yni<0.5gmBondStrengthKg/cm:457633562282EdgeRetentionProblems422FlakingProblemsSurfaceRoughness(gmA-A)0.050.020.020.020.01ApplicationTemp.(°C)232

9、150150277277DryFric