發(fā)動機(jī)材料的技術(shù)動向

  作為減小發(fā)動機(jī)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(yīng)力;三是減小零部件之間的輸入負(fù)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(qū)域到混合潤滑區(qū)域中,摩擦力產(chǎn)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(chǎn)生的。另外,在零部件之間接觸面壓高的情況下,會擔(dān)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(jìn)行表面硬質(zhì)處理。在直接傳動式機(jī)械傳動閥中,由于摩擦力分擔(dān)比最高的氣門桿和凸輪凸起部之間的最大面壓高達(dá)0.7GPa,因此以往除了對母材進(jìn)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(jìn)行表面真空蒸發(fā)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(chǔ)上,通過滑動可以使配對材的表面變得平滑,由此可以進(jìn)一步降低摩擦力,這種方法也可應(yīng)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?yōu)轭w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(fù)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(fā)動機(jī)缸孔的構(gòu)造是把由灰口鑄鐵制作的套管鑄入鋁合金氣缸體內(nèi)。鑄鐵的熱傳導(dǎo)率(50W/m·k)比鋁材(100W/m·k)低,而且鑄鐵的厚度為數(shù)毫米。另外,鑄鐵和鋁的界面也會因鑄造后的凝固收縮產(chǎn)生的緊固力而發(fā)生微小裂隙,它是阻礙熱傳導(dǎo)的主要因素。另一方面,最近為提高燃燒室內(nèi)的散熱性,希望能一面抑制高輸出功率發(fā)動機(jī)或緊湊式渦輪等發(fā)生爆震,一面確保壓縮比。用鑄鐵套管替代缸孔,需對鑄鐵進(jìn)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(xiàn)象是,在膜內(nèi)導(dǎo)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(fā)動機(jī)缸孔的珩磨網(wǎng)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(yōu)點(diǎn)外,還可以有效降低邊界至混合潤滑區(qū)域的摩擦力。

  形成低剪應(yīng)力。關(guān)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(yīng)力材料,是減小粗糙度和單獨(dú)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(yīng)用于發(fā)動機(jī)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(fā)了在采用硬質(zhì)且無潤滑的情況下,以摩擦系數(shù)與固體潤滑劑一樣低的DLC鍍膜為基礎(chǔ),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(shè)計思路方面與以往有很大的不同,鍍膜本身沒有單獨(dú)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(diào)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(gòu)成的吸附膜,由此會大大減小部件之間的摩擦。在發(fā)動機(jī)潤滑油的摩擦過程中,降低DLC膜中的含氫量,并使?jié)櫥秃凶罴训奶砑觿梢燥@著減小摩擦力。該方法已應(yīng)用于氣門桿和活塞環(huán)。DLC膜中添加Si的方法已應(yīng)用于發(fā)動機(jī)控制閥的往復(fù)桿。

  降低輸入負(fù)載。摩擦力是負(fù)載和摩擦系數(shù)的積。不僅減小摩擦系數(shù)很重要,而且降低負(fù)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(shè)計因素,它與銷/活塞間往復(fù)滑動時發(fā)生熱膠著的面壓有關(guān)。作為改善熱膠著性的措施有DLC膜的應(yīng)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(fù)載。另外,根據(jù)活塞的重量,可以設(shè)計出連桿和曲軸的強(qiáng)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(huán)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(shù)。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(jié)果,不改變活塞環(huán)張力的下限值,只將中間值設(shè)定小一些,就可減小活塞環(huán)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(huán)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(diǎn)也有助于減小摩擦力。