发动机挺柱沉积类金刚石薄膜的工艺及性能

黄平 *，张营营，张斌，范梅梅，李兴杰，强力

（1.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 401120；2.中国科学院兰州化学物理研究所，甘肃 兰州 730000）

发动机挺柱是配气机构关键部件，与凸轮轴构成一对摩擦副。发动机高速工作时，挺柱不停地转动，承受很大的接触应力，其主要损坏形式为摩损、擦伤和 接触疲劳破坏，要求表面具有很高的抗磨损、抗咬合和抗腐蚀性能[1]。

类金刚石(DLC)膜具有极高的硬度、低摩擦因数、高耐磨性以及良好的化学稳定性和导热性，作为新型功能薄膜材料在机械耐磨涂层方面具有广阔的应用前景[2]。丰田、福特等世界一流汽车企业在发动机挺柱上已广泛应用类金刚石薄膜，并拥有知识产权。国内汽车企业的发动机挺柱目前大多仍采用渗碳、渗氮、磷化、镀铬等传统工艺，工作一段时间后，由于磨损大而导致配气精度降低，发动机排放、油耗明显上升。特别是大排量发动机，为满足国IV排放标准要求，只能选用德尔福、博世等国外巨头生产的类金刚石薄膜挺柱，采购价格高，且核心技术受制于人。

为发展民族品牌，打破国际垄断，开发出具有自主知识产权的低摩擦核心技术，采取生产企业和研究所产研合作方式，针对长安公司自主开发的某2.0 L排量发动机，选择其挺柱作为产业化研究的重点，开展了薄膜沉积研究、批量覆膜加工、性能测试分析等工作，取得了显著的成果。

1 试验

1.1 样件

覆膜加工采用精加工的半成品挺柱(材质20CrMo，表面粗糙度Ra=0.4 μm，500 件)及304 不锈钢(10 件)作为基材，覆膜挺柱的性能与渗碳挺柱成品(材质20CrMo，渗层深度0.3～0.6 mm，30 件)进行对比。

1.2 样件覆膜加工

采用中科院兰化所自主研发的高频高功率脉冲磁控溅射沉积系统。半成品挺柱和304 不锈钢分别在丙酮、乙醇中超声清洗15 min，烘干后装在三行星公转样品台上，抽真空至3 × 10-3Pa，通入纯氩气(99.999%)对样件溅射清洗5 min。然后调节气体流量、电流、电压等参数进行多层梯度复合薄膜的沉积，具体工艺参数见表1。

表1 磁控溅射多层梯度复合薄膜的工艺参数Table 1 Process parameters for magnetron sputtering of multilayered composite thin film

1.3 性能测试

采用日本电子株式会社的JSM-6700F 扫描电镜(SEM)观察挺柱覆膜后的断面形貌，测量5 个位置的厚度，取其平均值。

采用中科院兰化所自主研发的划痕仪，在加载速度为100 N/min 时测量膜层的结合力。

采用美国CETR 的APEX 纳米压痕仪分别测试DLC 膜挺柱和渗碳挺柱表面的纳米硬度，压入深度为100 nm，各测量5 个点，取其平均值。

采用美国NANOVEA 公司的三维轮廓仪分别测试DLC 膜挺柱和渗碳挺柱的表面粗糙度Ra。

采用德国Optimol 公司的SRV-IV 微动摩擦磨损试验机测试DLC 膜挺柱、渗碳挺柱和DLC 膜304 不锈钢的磨损率。

2 结果与讨论

2.1 外观

图1是挺柱覆膜前后对比照片。从图1可以看出，挺柱表面利用多层梯度复合技术沉积DLC 薄膜后，颜色呈黑色或黑褐色，薄膜均匀、光滑、平整。

图1 挺柱覆膜前后对比照片(左──覆膜前；右──覆膜后)Figure 1 Photo of tappet before (Left) and after (Right) sputtering

2.2 膜层结构与厚度

图2 挺柱覆膜后的SEM 断面形貌Figure 2 SEM image of cross-section of tappet with DLC

图2是挺柱覆膜后断面形貌。从中可以看出膜层 由金属层TiCr、碳氮金属层TiCrN/TiCrC和功能层DLC组成，采用这种多层梯度复合膜层结构，有助于提高挺柱与DLC 膜的结合力。该复合膜层结构致密、厚度均匀，其总厚度为2.1 μm。

2.3 膜层结合力

利用划痕仪测试了挺柱表面膜层与挺柱间的结合力，如图3所示。在加载速度100 N/min 的情况下，金刚石探针划到A 处时，薄膜被划破，结合力约50 N，可以满足挺柱实际应用工况要求。

图3 挺柱膜层结合力测试结果Figure 3 Test result of bonding strength of DLC thin film to tappet

2.4 硬度

采用纳米压痕仪分别测试了DLC 膜挺柱和渗碳挺柱的表面硬度。结果显示，DLC 膜挺柱表面的硬度为13 GPa，渗碳挺柱表面的硬度为7.2 GPa：DLC 膜挺柱的硬度比渗碳挺柱的硬度提高了近1 倍。

2.5 耐磨损性

利用SRV-IV 微动摩擦磨损试验机对DLC 膜挺柱、渗碳挺柱和DLC 膜304 不锈钢表面进行耐磨损性试验，以Si3N4球为摩擦对偶，对磨1 h 后计算各件的磨损数据。试验发现，加载载荷为5 N时，经DLC覆膜的挺柱和304不锈钢的磨损率均为3.2 × 10-9mm3/(N·m)，渗碳挺柱的磨损率为5.5 × 10-9mm3/(N·m)；载荷为30 N时，DLC 膜挺柱的磨损率为5.4 × 10-9mm3/(N·m)，DLC 膜304 不锈钢的磨损率为14.5 × 10-9mm3/(N·m)，渗碳挺柱的磨损率则达到了32 × 10-9mm3/(N·m)。由此可见，挺柱和304 不锈钢经过DLC 覆膜处理后，在不同载荷下的磨损率都比渗碳挺柱明显降低。DLC 薄膜挺柱的磨损率在低载荷时约为渗碳挺柱的1/2，而在高载荷时仅为渗碳挺柱的1/6。

磨损试验后，采用三维轮廓仪观察了DLC 膜挺柱和渗碳挺柱的表面磨损形貌，如图4所示。从中可以看出，DLC 膜挺柱的表面磨损程度明显小于渗碳挺柱的表面磨损程度。同时，利用三维轮廓仪测试了2 个试样的表面粗糙度。结果显示，DLC 膜挺柱的表面粗糙度为0.398 nm，渗碳挺柱的表面粗糙度为0.412 nm，说明挺柱应用DLC 薄膜后，其表面更光滑，可以降低摩擦磨损。

图4 不同处理后的挺柱表面磨损形貌Figure 4 Morphologies of worn surface of tappets treated by different methods

3 结论

(1) 利用多层梯度复合技术在挺柱表面制备出了低摩擦类金刚石薄膜，其硬度达13 GPa，结合力约50 N，磨损率降低到渗碳挺柱的1/6，预计装机后耐磨损寿命提高3 倍以上。

(2) 该技术具有自主知识产权，并实现了挺柱批量化覆膜加工，有望在发动机主要摩擦副(如气门、凸轮、活塞环、曲轴等)上推广应用，可为开发环境友好的新型发动机提供技术保障，提高自主品牌汽车在国内外市场上的竞争力。

[1]彭德豹,孙泽涛.汽车发动机构造与维修[M].武汉:华中科技大学出版社,2010:113-118.

[2]张广安,王鹏,陈友明,等.中频磁控溅射沉积含铝类金刚石碳膜结构及其摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报,2008,28 (2):118-122.