發動機材料的技術動向

  作為減小發動機零部件之間摩擦力的措施大致可分為以下三種:一是減小零部件之間的實際接觸面積;二是使零部件之間形成低的剪應力;三是減小零部件之間的輸入負載。

  減小零部件之間的實際接觸。減小零部件的表面粗糙度有助于減小零部件之間的實際接觸,這是因為從臨界潤滑區域到混合潤滑區域中,摩擦力產生的根源主要是零部件表面粗糙凸起部分之間的接觸而產生的。另外,在零部件之間接觸面壓高的情況下,會擔心摩擦造成表面粗糙度的惡化。因此,作為初期維持表面平滑度的有效方法是對平滑面進行表面硬質處理。在直接傳動式機械傳動閥中,由于摩擦力分擔比最高的氣門桿和凸輪凸起部之間的最大面壓高達0.7GPa,因此以往除了對母材進行滲碳處理或滲氮處理等熱處理外,還在表面平滑處理后進行表面真空蒸發鍍膜處理,如鍍氮化鈦(TiN)膜、氮化鉻(CrN、Cr2N)膜,最近有的已開始采用鍍類金剛石(DLC)膜。這些鍍膜的硬度一般都在2000HV以上。其中,還有的超過了3000HV,大大超過了以往的滲碳處理(大約800HV)和滲氮處理(大約900HV)的硬度。形成鍍膜后的表面非常平滑,Ra低于0.03。

  在不改變表面最初粗糙度的基礎上,通過滑動可以使配對材的表面變得平滑,由此可以進一步降低摩擦力,這種方法也可應用于上述的氣門桿。采用電弧離子鍍膜法鍍的TiN膜和DLC膜,在成膜時熔融的原料顆粒飛到被加工件的表面并粘附下來后會變為顆粒狀凸起物。讓表面適度留下這種凸起,在滑動中可以使配對材的表面粗糙度變得平滑,由此可有效降低摩擦力。尤其是,對于凸輪凸起部等非正圓復雜形狀的零部件,可以說與其通過加工使其平滑,不如采取磨合的辦法使其變得平滑更有效。

  目前,大部分的發動機缸孔的構造是把由灰口鑄鐵制作的套管鑄入鋁合金氣缸體內。鑄鐵的熱傳導率(50W/m·k)比鋁材(100W/m·k)低,而且鑄鐵的厚度為數毫米。另外,鑄鐵和鋁的界面也會因鑄造后的凝固收縮產生的緊固力而發生微小裂隙,它是阻礙熱傳導的主要因素。另一方面,最近為提高燃燒室內的散熱性,希望能一面抑制高輸出功率發動機或緊湊式渦輪等發生爆震,一面確保壓縮比。用鑄鐵套管替代缸孔,需對鑄鐵進行噴鍍處理,由此,既能提高界面的密封性,又能減薄管壁,大幅度改善該部位的換熱和傳熱。另外,作為噴鍍特有的現象是,在膜內導入某種程度的空隙,空隙裸露在表層,可以提高缸孔表面的保油性。由于不需要采用以往那種用發動機缸孔的珩磨網紋加工孔來確保保油性,因此可以使缸孔表面變得平滑。它除了具有上述傳熱特性好的優點外,還可以有效降低邊界至混合潤滑區域的摩擦力。

  形成低剪應力。關于零部件表面粗糙度凸起間的接觸,以包括凸起的整個表面層作為低剪應力材料,是減小粗糙度和單獨降低摩擦力的方法,可以采用固體潤滑劑。尤其是,在面壓不是那么高的情況下,可以采用所謂的軟鍍層,即把作為固體潤滑劑的顆粒狀的二硫化鉬(MoS2)或石墨、四氟乙烯(PTFE)分散到聚酰胺樹脂(PAI)中的鍍膜,或直接把MoS2顆粒對著被加工件高速照射后獲得的鍍膜等。這種鍍膜可以應用于發動機部件中接觸面積大的活塞桿、曲軸軸承合金表面層。

  另一方面,對于面壓高的零部件,如果采用前述的軟鍍層,鍍膜的耐磨性是一個問題。因此,開發了在采用硬質且無潤滑的情況下,以摩擦系數與固體潤滑劑一樣低的DLC鍍膜為基礎,在潤滑情況下可獲得相同效果的鍍膜。本文要介紹的是不含氫的DLC膜(無氫DLC膜)和含Si的DLC膜(Si-DLC)。兩者在表面處理和設計思路方面與以往有很大的不同,鍍膜本身沒有單獨的特性,與潤滑油或潤滑油中所含水分的組合,可以明顯降低摩擦力。前者會因潤滑油中的摩擦調整劑吸附到表面,后者會因潤滑油中的水分吸附到表面而形成由單分子構成的吸附膜,由此會大大減小部件之間的摩擦。在發動機潤滑油的摩擦過程中,降低DLC膜中的含氫量,并使潤滑油含有最佳的添加劑,可以顯著減小摩擦力。該方法已應用于氣門桿和活塞環。DLC膜中添加Si的方法已應用于發動機控制閥的往復桿。

  降低輸入負載。摩擦力是負載和摩擦系數的積。不僅減小摩擦系數很重要,而且降低負載也很重要。活塞銷是連接連桿和活塞的部件。活塞銷的長度和活塞軸承部的寬度是一個重要的設計因素,它與銷/活塞間往復滑動時發生熱膠著的面壓有關。作為改善熱膠著性的措施有DLC膜的應用等。減小活塞銷和活塞滑動部的寬度,能有效減小活塞的重量,由此可降低輸入的負載。另外,根據活塞的重量,可以設計出連桿和曲軸的強度,因此它可以有效減小這些零部件的重量,還可減小曲軸周圍的摩擦力。

  為減小活塞環和缸孔間的摩擦力,近年來已開始采用CrN膜替代以往的鍍Cr或氮化處理技術。鍍Cr膜的厚度大約100μm,而耐磨損性好的CrN膜的厚度很薄只有25μm,它可減小膜厚度的偏差范圍。結果,不改變活塞環張力的下限值,只將中間值設定小一些,就可減小活塞環和缸孔間的摩擦力。另外,由于CrN膜的磨損量小,因此可以維持活塞環外表面初期的曲率,抑制伴隨磨損而增加的接觸范圍,這一點也有助于減小摩擦力。