2015年第6期
国外内燃机
润滑性硬质覆膜在发动机零件上的应用
【日】神崎昌郎
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摘要：近年来，类金刚石碳覆膜等涂层材料因具有低摩擦特性及优异的耐磨损性，在汽车零部件上的应用已越来越普及，但在覆膜与基材之间密合性及耐热性方面仍存在一些有待解决的课题。作为在高温高压等苛刻条件（如发动机燃烧室附近）下工作的滑动部件表面处理工艺，介绍了TiN-MoS,复合覆膜的特性及其成膜工艺。经试验证实，利用Ti中间层形成TiN-MoS,复合覆膜后，可提高覆膜与基材之间的密合性，并兼顾高硬度与高润滑性的性能要求。
关键词：发动机滑动部件润滑性硬质覆膜
莫TiN-MoS复合覆膜
0前言
在机械系统中，赋予材料低胶粘性、低摩擦特性、高耐磨损性及耐热性的表面改性技术是必不可少的，目前已有TiN、TiC、CrN，以及类金刚右碳(DLC)覆膜等涂层工艺被应用于各种机械系统的滑动部件上。尤其是近年来，在全球气温上升及资源日益枯竭等环境因素的影响下，以及在能源问题令人塔优的严峻形势下，降低汽车燃油耗的要求越来越迫切。以降低发动机中滑动部件摩擦、改善燃油经济性为目标，DLC覆膜的应用范围日渐扩大。另外，近年来，对于在发动机燃烧室等高温高压环境下工作的润滑性硬质覆膜的需求也在不断提高。本文针对发动机中滑动部件所用的TiN-MoS复合覆膜，介绍其基本特性及成膜工艺。
发动机滑动部件用TiN-MoS,复合覆膜 1
具有低摩擦特性及高耐磨损性的DLC覆膜在汽车发动机滑动部件上的应用得到不断发展。但由于DLC覆膜具有较高的内部应力，同时其主要构成元素为碳，所以覆膜与基材之间密合性较差，耐热性不佳。目前，研究人员正通过各种途径尝试解决上述问题，但对于在高温高压等苛刻环境下工作的燃烧室周边滑动部件而言，DLC工艺仍是不太适用的。
因此，本次研究中，以耐热性和密合性均优于DLC 覆膜的TiN覆膜为基础，开发了生成新型润滑性硬质覆膜的方法，并探讨了该新型覆膜在难以应用DLC覆膜的苛刻环境下应用于发动机滑动部件的可能性。
试验中，使用预先均匀混合TiN与MoS,的复合靶，以探索在MoS:低含量条件下TiN-MoS,复合覆万方数据
膜的低摩擦特性作为研究目标。此外，通过将具有化学活性的Ti作为中间层，尝试提高TiN-MoS,复合覆膜与基材之间的密合性。
利用直流磁控溅射法形成TiN-MoS,复合覆膜。本次试验中，为了提高溅射法成膜时MoS,的分散性，使用在TiN中按规定量混合MoS的加热烧结性复合靶（TiN+MoS（10%、20%、30%)的复合靶）。在基材温度350℃条件下形成的TiN-MoS复合覆膜密合性高且磨损量少，本文将介绍相关的研究结果。另外，考虑到预备试验的结果及装置规格，设定对复合靶的加载电力及基础压力等各种成膜条件（表1)。
表1TiN-MoS;复合覆膜的成膜条件参数
项目
复合靶
加较电流/W 基本压力/Pa
Ar气体流量(标准状态)/
(mL·min) 成膜压力/Pa 成膜温度/℃ 成膜时间/min 基材尺寸/mm
参数
TiN+MoS;(10%.20%.30%)
100 4. 0×104 30 0.5~0. 6 OSE 40~60
Si:20×20×0,5;SUJ2:15×15×3
图1示出了TiN-MoS,复合覆膜的显微硬度及剥离临界载荷。MoS:含量为6%的TiN-MoS,复合覆膜具有25GPa的高硬度，可与TiN覆膜（27GPa)相媲美。此外，随着MoS含量的增加，覆膜的硬度呈降低趋势，但即使MoS:含量增加至22%，TiN-MoS复合覆膜的硬度能达到17GPa。这种复合覆膜具有较高的润滑性，能够兼顾高硬度与高润滑性的性能要求。