活塞环物理气相沉积涂层的研究

活塞环物理气相沉积涂层的研究一台内燃机的使用寿命很大程度上取决于活塞环-气缸副的使用寿命,在活塞环表面涂覆减摩涂层是减少活塞摩擦副磨损的一种可能方法。为此目的,目前广泛采用的是电镀铬层,但是镀铬层在热和机械循环负荷下易于开裂,并且还要求抛光以防止发动机磨合期间气缸磨损,电镀铬工艺要花数小时之久,同时还要酸洗以及在生产中要求采取生态保护的特殊措施.目前,正在寻求取代镀铬的工艺技术,其中之一就是采用离子轰击辅助的物理汽相沉积(PVD)。PVD工艺可使不同成分的多层涂层沉积,厚度通常为l0um且具有许多特性,不需要以后进行抛光及采取生态保护措施。活塞环磨损和物理汽相沉积涂层成分的预先选择内燃机正常运转时,活塞环承受来自气缸壁的机械载荷和来自活塞的热负荷。温度和机械因素同时起作用加剧了活塞环的磨损,特别是压缩环.活塞环磨损的主要机理是:(1)细颗粒的磨蚀磨损,这些细颗粒能通过空气滤清器而且硬度又高于活塞环;(2)在活塞环与气缸表面之间形成的界面上粘结引起的粘附磨损(图1)。因此活塞环的耐磨涂层必须具有高的硬度和低的表面性能,过渡金属的碳化物、氮化物、氧化物都具有这种性能,由于这些材料的韧性低,PVD涂层厚度通常不超过4-6um以防涂层裂开.当具有硬涂层的活塞环磨合时,可以通过沉积另外一层韧性材料即低屈服点金属的外层降低气缸磨损。在热和机械负荷作用下,将迫使磨合层金属从局部接触区挤向非接触区。于是在活塞环和气缸壁之间形成紧配合,因此活塞环周边负荷均等而消除了局部磨损并减少了活塞副的总磨损量。此外,在整个气缸壁上均匀涂抹的磨合层金属将起一层界面膜作用,从而防止活塞环与气缸间的互相粘附。磨合层的厚度必须足以补偿活塞环几何误差dr和气缸几何误差dc,并断定厚度等于（dr十dc）/4。,在下面所研究的活塞环PVD涂层的实例中,因为TiN能承受较大的机械负荷和热负荷而选用它作为耐磨层。由于钛具有较高韧性而选择它作为磨合层。作为抗粘附涂层,钛并不是最佳材料,但是它与TiN一起应用时只要使用一个简单的单阴极装置而明显简化沉积工艺。采用6µm厚的TiN耐磨层和2微米厚的Ti磨合层。在涂层沉积和活塞环涂覆操作的过程中,各涂层的应力都会升高。这些应力可能会引起层间的裂纹扩展和涂层损坏。为防止多层PVD涂层损坏,必须从上述应力状态的观点出发解决涂层的组合、厚度和沉积条件等优选问题。多层物理汽相沉积涂层结构的优化可用相应于产生层间裂纹的层界上的临界位移力PiC的计算和采用由应力计算求出的与PiC实际位移力Pi的比较进行多层物理汽相沉积涂层结构的优化,为了进行计算,采用了以前论文中所讨论过的多层PVD涂层应力状态数学模型。下面研究一个由n层组成的涂层,每一层厚度Hi,沉积在活塞环上的厚度为Hr=a-b,如图2(a)所示。设涂层为平面应力状态.假设在i层和i一l层边界上层间裂开,如图2(b)所示。如果涂层应变处于塑性区域,裂纹扩展的临界位移力（1）式中：对于多层涂层的泊松比和杨氏模量采用下列关系式：式中：在i和i--l层边界上的实际位移力由下列方程确定（2）式中：σ(r)－作用于涂层中i层的应力。下面求活塞环PVD涂层中i层的应力。在用离子辅助PVD工艺沉积涂层后,在涂层的i层中存在应力。这些应力由于涂层和活塞环热膨胀系数（TECs）不一致（热应力）和加速离子注入涂层（内应力）所造成的。可用下列方程计算应力（3）式中：T0－发动机运转时的活塞环温度；T(r)－沉积温度，是涂层厚度的函数；Βi,Vi,φi,ψi,ηi,δi系数，取决于涂层厚度和涂层与活塞环的弹性系数；Ci(r)－注入到晶格缝隙的原子浓度，由基体偏压确定；Ra－注入的原子半径；Rp－涂层晶格中缝隙孔半径。(4)式中：（5）式中：αr－为活塞环的热膨胀系数；P－活塞环所受的汽缸壁压力；T0(b)－发动机运转时的活塞环表面温度。(6)试验详情试验用活塞环为图拉（Tu1a）机器制造广生产的小型摩托车（Muravey牌）用铸铁活塞环.使用VU-lB装置,采用真空电弧蒸发工艺,沉积多层PVD涂层,一次堆叠100根活塞环,先后经过苯和乙醚超声清洗。然后装入真空室与沉积流动方向垂直的旋转轴上（图3）.真空室抽真空至10-3Pa,活塞环在涂覆前加1.5kV,钛离子进行酸洗。然后按表1所列条件沉积涂层,涂覆过的活塞环在氮气流中冷却15min至室温。涂液过的活塞环磨损试验是在未经改装的小型摩托车上进行。用光学显微镜（MIm-7型）测量活塞环外径的减小并作为磨损量的测量,同时还用电子扫描显微镜（BEM-10lU型）观察研究活塞环的摩擦表面.小型摩托车发动机活塞环物理汽相沉积涂层的优化采用方程(1)-(6)进行Muavey牌小型摩托车铸铁活塞环PVD涂层的优化,对由6um厚的TiN到耐磨层与2µm厚的Ti磨合层组成的两层涂层进行了初步计算。因沿涂层与活寒环的界面剥落而认为该涂层失灵。因而为了防止剥落又增加了0.5µm厚的Ti粘附层。对三层涂层的计算表明了增加Ti贴合层把TiN耐磨层隔成两层的优点,这样可消除裂纹沿涂层厚度扩展的危险。研究发现五层涂层(结构示于图4)是最佳的,涂层沉积条件列于表1。涂层应力分布和层界位移力示于图5(a),从图5(a)可看出,对涂层应力起主要作用的来自固化应力和运行应力,作用最小的来自热应力,内应力虽然是引起计算的主要误差,但与整个应力相比,却是小得可以忽略不计,所以方程(6)完全能以满意的精度应用于实际中。从图5(b)可看出,所有涂层条件PiPiC都成立,故涂层在发动机运转时不会失灵。涂覆活塞环的磨损试验对下面两种结构的多层PVD涂层活塞环进行了磨损试验:(1)五层涂层,经计算的五层涂层,示于图4;(2)没有磨合层而不同于(1)的四层涂层。进行了无磨合层涂层的试验以确定该层对活塞环-气缸副磨损的影响。此外,经抛光的电镀铅层活塞环和无涂层活塞环都进行试验以便进行对比评定。试验结果列于图6中。五层PVD涂层的活塞环磨损量大致为无涂层活塞环磨损量的l/3(图6(a))。该结果表明有涂层与无涂层活塞环的磨损动力学有差别(图6(b)),无涂覆活塞环在整个试验时间范围内的磨损速率实际上是不变的,而有涂层活塞环的磨损则分为几个阶段:磨合、正常磨损和高速率磨损。第一阶段活塞环与气缸产生磨合,在它们的局部区域磨损速率较高。正常磨损阶段,在整个活塞环圆周上均匀磨损。电子扫描显微镜观察显示出活塞环表面的网状显微裂纹,表明了此阶段为疲劳磨损机理(图7(a))。当涂层完全磨掉后,活塞环的基体材料开始磨损,此时磨损机理由疲劳磨损转变为磨蚀磨损(图7(b)),最后阶段反映出磨损速率增加(图6(a))。在涂层结构中,有无磨合层对活塞环的磨损无明显影响,但对气缸的磨损影响颇大。与无磨合层涂层活塞环相配的气缸磨损量为与无涂层活塞环相配的气缸磨损量的2-3倍(图6(a))。在涂层结构中增加磨合层会使气缸磨损降低,达到相应于与无涂层活塞环相配气缸的磨损水平。Ti最初由磨合层然后由贴合层转移到气缸壁上,由于其硬度比涂层的TiN耐磨层硬度低,故大大地有利于降低气缸磨损。与五层PVD涂层活塞环相配的气缸磨损量为与无涂层活塞环相配气缸的70%。摩擦副总磨损量前者比后者低2.5倍(图6(a))。五层PVD涂层活塞环与电镀铅涂层活塞环的比较表明,镀铬活塞环的磨损量是五层PVD涂层活塞环的1.7倍。然而,由于镀铬活塞环经过抛光,又可降低磨合阶段的磨损,所以与镀铬活塞环相配的气缸磨损量小于与PVD涂层活塞环相配的气缸磨损量。然而,5层PVP涂层活塞环的摩擦副的总磨损量却低于镀铬涂层活塞环的摩擦副的总磨损量。