涂柴油机PRCL系统低温PVD锡的摩擦副，力学性能的对比实验研究

抽象

活塞环和缸套（PRCL）接口是一个主要因素在IC发动机的整体的摩擦和磨损损失。物理气相沉积（PVD）的基础上衬垫陶瓷涂层和环正在研究以解决这些问题。对于常规的涂覆系统的应用的高温度要求损害基底材料的机械性能。在目前的研究中，摩擦起机械性能的实验研究是关于各种氮化钛（TiN）涂层的PRCL接口在与商业PRCL系统比较进行的。基于低温PVD TiN涂层上的灰铸铁缸套样品成功地实现。灰铸铁缸套衬底和TiN涂层的厚度的表面粗糙度而改变。各种PRCL接口的综合比较分析，提出和所有的各种机械和摩擦学性能参数之间的权衡进行了总结。图5个6微米之间的涂层厚度最好报告摩擦起机械性能。粘合性和硬度被发现是优异的用于沉积在气缸套的样品具有更高的粗糙度在TiN涂层，即，〜5微米镭。在COF最大62％的节省被报告为特定PRCL系统。 Maximum 97% saving in cylinder liner wear rate is reported for another PRCL system.

1.简介

摩擦和磨损内燃（IC）发动机，特别是活塞环缸套（PRCL）系统的滑动界面上是对油耗和维护成本非常关键的。总损耗由于所有类型的摩擦的是总的燃料消耗量的近四分之一（25％）和这些摩擦损失50％是由于在IC发动机PRCL系统接口[1，2]. 因此，降低PRCL界面处的摩擦系数（COF）和磨损对节约燃料、降低维修成本、提高发动机的效率、寿命和可靠性起着至关重要的作用[3]。

一个潜在的解决方案，在PRCL界面的摩擦和磨损损失是陶瓷涂层对PRCL系统的部件[沉积4，五]。氮化钛（TIN）陶瓷涂层是具有高硬度和优异的耐磨性的单个金属氮化物陶瓷材料。它被广泛应用在不同的机械和摩擦学应用[商业使用多年6]。物理气相沉积（PVD）工艺是沉积TiN涂层[的一个众所周知的，建立，和商业上可行的方法7]。常规PVD系统需要在TiN薄膜的基底材料的400-500℃的沉积温度[8]。商用柴油发动机的汽缸套一般由灰铸铁。灰口铸铁是在300-370℃的范围内回火[9]。回火温度的该范围是TiN薄膜中的这些发动机的PRCL接口应用程序的基本挑战，因为灰铸铁失去回火后硬度。在本研究中，柴油发动机的PRCL接口的低温PVD（沉积过程中的250℃的衬底温度）已被证明。我们在商用柴油发动机PRCL系统的交接面的微机械和摩擦学性能方面录得正的效果。

气缸套的表面光洁度是影响在连接面上的微机械性能和PRCL系统的摩擦学性能方面的TiN涂层的应用的另一个关键因素[10-12]。在目前的研究中，商购的灰铸铁缸套已用于实验。这些气缸套被磨练和具有表面粗糙度（Ra）的为0.55±0.05μM对这项研究。也有人研究了减少在TiN涂层的微机械性能和PRCL系统接口的摩擦性能的气缸套的表面粗糙度的影响。影响的TiN涂层的微机械和摩擦学性能的另一个重要的参数是涂层本身[厚度13，14]。涂层厚度的增加提高了硬度，附着性和涂层的耐磨损性[15]。

本文综合比较了现有柴油机PRCL系统与同一PRCL系统低温PVD涂层界面的不同组合的微观力学性能和摩擦学性能。为了提高这项工作的商业化利用率，研究了灰铸铁缸套基体表面粗糙度和TiN涂层厚度对其微观力学性能和摩擦学性能的影响。

2.实验工作

2.1条。样品制备

制备了四种不同的PRCL（活塞环-缸套）界面系统样品，并对其进行了力学性能和摩擦学性能比较。表中描述了这些PRCL接口系统1。

收集了85HP拖拉机的商用缸套和活塞环，并将其切成小样本。灰铸铁缸套样品尺寸为25 mm×20 mm。采用低温物理气相沉积（PVD）工艺在气缸套试样上沉积TiN涂层。制备缸套样品时，改变了表面粗糙度和涂层厚度两个参数。用金刚砂纸（粒度600-1500微米）对两组试样进行抛光，以获得两个不同的表面粗糙度范围，即0.2±0.05μ米（称为细样品）和0.45±0.05μ米（称为粗糙样本）。样品表面的粗糙度是通过使用表面粗糙度测试仪三丰（型号SJ-20）进行测定。在不同位置的每个样品表面的三个读数被记录，并且平均三个读数中的一个记录为特定样品的粗糙度值。采用低温PVD系统，以三种不同的沉积时间沉积三批四个样品，每批包括两个粗样品和两个细样品。同一台发动机的活塞环被切割成与缸套样品尺寸相匹配的形状。

2.2条。镀锡

氮化钛（TIN）涂布在用低温阴极电弧金属源PVD涂层系统缸套三批样品（PRCL系统2的12个样本和3）类似的沉积条件下。在此之前的TiN沉积，气缸套样品在用三氯乙烯的超声波浴中在80清洗℃下15分钟。将样品吹塑用纯氩气（N5.0）中干燥。干燥样品后被运往低温PVD室。腔室抽真空到6毫巴真空，并将样品的温度升高到250℃。对于PVD沉积过程中，高纯度的氮气（N5.0）用作反应气体和高纯度的氩气（N5.0）用作工作气体。氩气和氮气通过一个质量流量控制器以20sccm和275 SCCM分别供给。蒸镀时的200V衬底偏置电压被施加。重复该过程对于所有三个批次对应的三个不同的沉积时间，即15分钟，30分钟，45分钟和。铬涂覆环切口的一组也被涂覆有45分钟的批次。与粗糙度和沉积时间沿着所有PRCL系统的气缸套的样品总结在表中给出2。

2.3。划痕试验的涂层附着力

为了评估在TiN涂层与灰口铸铁缸套基材的附着力，进行划痕试验。该测试已经被广泛地用于测量在所述先前的研究的硬涂层的密合性[16，17]。划痕粘附试验在渐进负载类型试验机CSM执行（模型MSTX S / N：01-2569）。试验机采用洛氏型金刚石压头为100刀尖半径μ米施加的压力为从为0.03N开始，并且最大的最终负载为大约25 N，随着增加的9.99 N /分钟加载速率。临界载荷，这也被认为作为TiN涂层与所述基材的刮擦附着，是所述涂层被完全剥离的负荷的该特定值和所述衬底是可见的。中间厚的涂层样品的划痕的图像的一个例子在图中示出1。

2.4。纳米硬度测试

纳米压痕法是测量涂层硬度的常用方法[18，19]. 在目前的研究中，使用CSM纳米硬度计（NHTX S/N:01-2569型）对涂层硬度进行了纳米压痕评价。仪器采用伯克维奇型金刚石压头。在加载和卸载速率为80.0 mN/min时，本试验所用的最大载荷为40.0 mN。所有样品的TiN涂层的硬度与基底表面的厚度和不同粗糙度有关。

2.5条。涂层厚度测量

采用扫描电子显微镜（TESCAN-Vega-LMU）对气缸套试样的TiN涂层厚度进行了测量。在机械磨床上采用湿磨的方法制备缸套试样。用金刚砂纸（400-2500微米粒度）制备了涂锡缸套的横截面。在45°C的温度下，将试样置于电烤箱中除湿约30分钟后，在气缸套上沉积30分钟的锡涂层的扫描电镜图像如图所示2. 在三个不同的点估计厚度，并将平均值作为TiN涂层的近似厚度。表中给出了扫描电镜（SEM）测量的三个批次的近似厚度值与沉积时间的关系3。

2.6。摩擦试验机测试

摩擦的活塞环和气缸套样本之间的系数使用线性往复CSM（型号S / N 01-02566）的摩擦计进行评价。气缸套试样切口被安装在一个固定的保持器为配备有测力传感器的摩擦力测量较低的采样。活塞环段插入在可调节环夹持器，将其通过电驱动器进行往复直线运动靠在计数器气缸套样品移动的上侧试料。的摩擦计设置的示意图示于图3。

对活塞环保持架施加法向载荷，并在润滑条件下进行试验。采用该柴油机推荐的SAE 15W-40润滑油作为润滑油。润滑油SAE 15W-40的性能见表4。在测试之前，这两个样本中酒精超声波清洗。试验是在环境温度（25℃）进行，并且冲程长度为6毫米。详细的测试参数汇总表五。

摩擦系数试验和磨损率从缸套和活塞环试样的重量损失计算前和试验后期间测量[20]。试验后，所有样品保持在15分钟的超声波浴，使得蓄积的磨屑被拆除，并得到标本的准确重量。

3。结果与讨论

3.1。锡镀层厚度对表面粗糙度的影响

图4（甲）和图4（b）分别之前和沉积诸如TiN涂层厚度的函数后显示出优良和粗糙型气缸套样品的表面粗糙度。样品表面的粗糙度降低作为TiN涂层生长厚。在TiN薄膜的粗糙度改善百分比相比于与用于细粒和粗糙样本而不管增加样品的起始粗糙度的涂层厚度的气缸套的增加起始粗糙度。缸套样品的表面粗糙度值的沉积之前和之后的总结示于表6。凹凸或裸基板的不平坦表面的影响最小化逐渐随着涂层厚度变大。

3.2。涂层厚度和表面粗糙度对硬度的影响

数字五阐述了灰铸铁缸套两种不同粗糙度下，增加TiN涂层厚度对其硬度的影响。硬度似乎很大程度上取决于涂层的厚度。对于细试样和粗试样，随着涂层厚度的增加，涂层厚度变大。然而，粗糙的样品比精细的样品显示出更高的TiN涂层硬度。最初，细试样和粗试样的硬度值相差较大，但随着涂层厚度的增加，硬度值趋于下降。无论灰铸铁基体的粗糙度如何，厚度接近5 um的低温PVD沉积TiN涂层的硬度往往达到10-11GPa。缸套镀锡层硬度结果见表7。

3.3。涂层厚度和表面粗糙度对力的影响

数字6示出了相对于镀层厚度和表面粗糙度中的灰口铸铁缸套样品的TiN涂层的刮擦附着的变化。粗样品显示相比于细样品的TiN涂层的优异粘合性。这种现象表明，涂层的附着是在界面处与灰铸铁缸套的表面的凹凸，而不是TiN涂层的互锁化学键合的函数。平均而言，存在相比于细的人在粗糙的灰铸铁缸套在TiN涂层的约20％的优异的刮擦附着。气缸套的TiN涂层的刮擦附着的结果列于表7。

3.4。摩擦相对于涂层厚度和表面粗糙度系数（COF）

数字7礼物摩擦随时间的系数阴谋的所有四种类型PRCL接口系统的研究了这项研究。数字图7（a）总结了覆锡和未覆锡缸套与覆锡环之间的COF随缸套粗糙度和覆锡厚度的变化趋势。对于最薄的涂锡气缸套样品（厚度1.920μ米），COF逐渐为最初的10分钟的跨度但在这之后的曲线描绘在COF相对较大上升用于细粒和粗糙样本向上移动。中间厚（3.523μ米）样品也呈现轻微的逐渐增加最多10分钟，但该曲线保持在一个稳定的趋势之后。同样地，在厚涂（5.120条μ米）细样品;COF基本保持在启动初期略有上升之后维持恒定。但是，粗糙的样品显示小幅上涨之后大幅下降几秒钟，然后逐渐上升后趋于稳定。此外，TiN涂层细缸套样品通常具有比在PRCL界面粗糙样本相对较低的COF。

数字7（b）总结相对于他们改变衬垫粗糙度和厚度的TiN涂层在对抗镀铬环COF趋势TiN涂层和无涂层的气缸套的变化。它进一步这些接口的COF性能与为是的情况下，的性能比较，即，裸灰铸铁缸套与0.55±0.05的表面粗糙度μ针对镀铬环米。观察到在这种情况下相反的行为。TiN涂层粗糙样本显示出对镀铬环比TiN涂层精细样品做对镀铬环相对较少COF。这可以通过的TiN薄膜是与镀铬环的硬度更具有可比性的更高的硬度进行说明。COF逐渐上升整个实验最薄TiN涂层的样品，而不管相应的气缸套的粗糙度。的行为几乎用于中间锡镀层厚度的样品而所述细小样品表现出更多的增加和COF的平均值是相同的。最厚的TiN涂层细样品的COF保持整个实验表明环的铬的非常坚硬的TiN厚涂层的非常低粗糙度的表面上的可忽略的影响是恒定的。然而，对于最厚的TiN涂层粗糙气缸套相对于样品中的铬涂覆环上的COF经过数上升变得稳定和下降高达12分钟。这表明的TiN涂层的最硬和粗糙表面上的相对低的硬度铬环的穿着效果。

所述原样的情况下，即，对抗铬涂覆的未涂覆的环衬，显示出在COF恒定非线性增加。这基本上是由于硬度高铬涂覆环（5.4GPa）21]穿着关闭相对低硬度灰铸铁缸套。然而，随着对涂锡环未涂覆的衬垫样品显示出逐渐不断增加，但较大的平均COF与如方案比较（见图图7（a））。

数字8示出了与在气缸套和其不同的粗糙度TiN涂层厚度的变化平均COF值的偏差;误差条显示一个标准偏差。数字8（甲）总结针对作为是场景的平均COF值相比较的平均COF值的对TiN涂层环锡涂布的气缸套的趋势。数字图8（b）总结针对作为是场景的平均COF值相比较的平均COF值的对镀铬的环锡涂布的气缸套的趋势。COF随用于细粒和粗糙样本的涂层厚度在打击锡涂布的环涂锡气缸衬套的情况下，减小（见图8（甲））。然而，相比于粗糙样本的精细样本显示相对较低的摩擦系数。因此，存在的TiN涂层气缸套的粗糙度和相应的TiN涂层的硬度之间的权衡。此外，观察到最厚的TiN膜的（最小COF5.120条μ对镀锡环米）的样品在与作为是情景的COF相比较。在另一方面，随着涂层厚度既细和粗样品COF增大，用来对付镀铬环的TiN涂层气缸套时（见图图8（b）). 粗试样的COF通常低于细试样，最小的COF是在最薄的镀锡层上获得的(1.920μ当与作为是场景平均COF相比米）的样品。

3.5。磨损率相对于涂层厚度和表面粗糙度

传统上，它被认为是涂层的耐磨性只是取决于硬度但尽管如此，弹性模量也起着磨损特性作出了重要贡献。比值H / E（弹性应变故障）是用于预测所述硬涂层的磨损的参数之一。然而，H³/ E²比（耐塑性变形）被认为是一个优选的参数来评估所述硬质涂层的耐磨性[22，23]。H / E和H的详细结果³/ E²比列于表8。

数字9示出了汽缸套，并与在气缸套和其不同的粗糙度TiN涂层厚度的变化活塞环的磨损率的变化;错误条标记一个标准差。数字图9（a）显示了镀锡缸套相对于镀锡环的磨损率趋势，并与实际情况下的磨损率值进行了比较。数字图9（b）针对示出的是作为情景的磨损率值进行比较磨损率的针对镀铬的环锡涂布的气缸套的趋势。

无论是细试样还是粗试样，涂锡缸套对涂锡环的磨损率都随着涂层厚度的增加而降低。然而，粗糙的样品与精细的样品相比，由于较高的H³/ E²比（在表所示8）。在精细样品的磨损率的增加与H中降³/ E²比率和粘合涂层的（如图图9（a）). 与实际情况和最厚情况相比，锡涂层缸套具有良好的耐磨性(5.120条μm） 镀锡气缸套试样的磨损率最低。但未镀锡灰铸铁缸套的磨损率比实际情况要高。

在另一方面，TiN涂层缸套所有其他三个PRCL接口之间滑动抵靠铬涂覆的环显示出优异的耐磨损性（在图图9（b））。磨损率的负值表明的测试后的衬垫的重量增加。Cr的涂覆环具有比TiN涂层缸套硬度相对较小（如表7）。因此，Cr的消退，并在TiN涂层衬垫表面的凹凸了事。此外，相比于细的样品如从图可见的粗糙样本凹凸容纳在其表面上含有Cr碎片图9（b）。

数字图9（c）示出了磨损率的趋势镀锡环对抗镀锡缸套而图图9（d）显示了涂铬环与涂锡缸套的磨损率趋势。环件磨损率与缸套磨损率呈相反趋势。与两种情况下的粗糙样品（如图所示）相比，涂有铬的环与缸套的精细样品滑动时磨损更小图9（c）和图9（d））。环与汽缸套的增加在TiN涂层厚度磨损率增加。但是，TiN涂层环表现出比铬涂覆的环相对更好的耐磨性（如在图图9（c）和图9（d））。在如方案的情况下，Cr的涂覆的环示出的磨损率负值由于在测试期间在其表面上的凹凸的灰铸铁碎屑的粘附后的重量增加量。这可以通过灰口铸铁缸套具有硬度（2 GPa）的[以下事实来解释24]比涂锡缸套小得多（如表所示7)这会导致未涂层缸套的磨损更大，环对缸套的磨损更小。然而，涂锡环对未涂锡缸套的耐磨性可忽略不计。表中总结了平均COF和磨损率的详细结果9。

由此可以得出结论，该汽缸套的磨损取决于对H³/ E²在TiN涂层比只有未涂覆灰铸铁的硬度。粗样品得到对两种TiN涂层和Cr涂覆环TiN涂层缸套良好的耐磨性（如图9)由于H较高³/ E²比。与此相反，COF取决于不仅硬度而且表面粗糙度也为细样品得到较少如图COF但与在涂锡环的情况下（粗品的比较多的磨损率8）。COF在铬涂覆的环的情况下显示不同的趋势;即，粗糙样本给予更小COF比细样品和COF是最小其中所述的H³/ E²气缸套样本的比例相对较低。环的磨损，直接关系至H³/ E²比和TiN涂层的汽缸套的粗糙度。环的磨损为最小，当他们相对滑动最薄锡涂布的细气缸套（对于TiN和铬涂覆环）以H³/ E²比是所有样品中相对低。因此，也有基于硬度和粗糙的磨损和COF之间的多个权衡。摩擦学权衡的总结在表10。

4，结论和建议

本实验研究的目的是用涂接口相同PRCL系统的表面的低温的TiN PVD的不同组合来比较现有的柴油发动机PRCL系统的机械和摩擦学特性。下面的结论，从这项研究得出：

表面粗糙度与气缸套用于细粒和粗糙样本涂布增加的TiN提高。然而，表面粗糙度改善的冲击可见较多粗糙的样品。硬度和粘合力依赖于表面粗糙度和涂层厚度。在TiN涂层厚度，但粗糙样本的增加的硬度和密合性的增加显示出优异的与细的样品这些微机械性质。

磨损主要是硬度依赖现象但COF取决于两者的表面粗糙度和硬度。具有较高ħ缸套样品³/ E²比显示较少的磨损率和活塞环滑动对他们的结果更多的磨损率。然而，COF礼物对TiN和铬涂锡缸套不同趋势涂覆环相对于硬度和表面粗糙度。PRCL 2示出降低的平均COF与涂层厚度的增加，所有的样品。然而，细样品具有较差的COF比粗糙样本。相反，在涂层厚度和粗样品的PRCL 3个与增加而增加所有样品的平均COF具有比细样品更高的COF。

降低COF可以不必得到涂锡气缸套和环的磨损的最佳结果。气缸套和活塞环不显示在同一时间同一耐磨性。在摩擦系数更减少达更多的燃料节省。在另一方面，该系统PRCL的更高的可靠性，通过使气缸套更耐磨保持活塞环作为牺牲组分和从而降低了维护成本，提高了发动机的寿命来实现。

最后，我们定量报道COF和气缸套的设计师磨损率的多重权衡选择最佳PRCL系统。PRCL 2接口的样品5给出了在平均COF 47％的减少和减少53％在气缸套磨损率。PRCL 2接口的样品6给出了在平均COF降低24％和减少62％的气缸套磨损。PRCL 3接口的样品1给出了平均COF 11％的减少和减少97％的气缸套磨损率。PRCL 3接口的样品2给出了在平均COF减少23％具有优良的耐磨性。

建议调查COF这些储蓄的冲击与磨损的燃油消耗率，维护成本和可靠性上全面引擎试验台。

数据可用性

没有数据来支持这项研究。

利益冲突

作者声明本论文的发表不存在利益冲突。

致谢

愿我们以诚挚的感谢面巾纸组和Millat拖拉机Limited®提供相关的技术支持。我们要感谢高等教育委员会（HEC），巴基斯坦，对于部分资金，以开展这项研究。

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