����ʯ��Ĥͦ�����Ʊ�������
�� ��1, �� ��1,2, �ſ���3, �� ��3
1.���ִ�ѧ ������������ƹ����ص�ʵ����,���� 130022
2.�й���һ�����ɷ����޹�˾ ��������,���� 130011
3.�й���ѧԺ �����󻬹����ص�ʵ����,���� 730000
ժҪ
���ôſؽ���ķ���,��������ͼ���Ϊ��Դ,���й���һ�����ɷ����޹�˾�����з��ķ���������������ͦ�����Ʊ�����ʯ(DLC)��Ĥ������Ħ��ĥ��������ͷ�����������������̨��,�о���DLCͿ��ͦ����Ħ��ѧ��Ϊ����Է��������ܵ�Ӱ�졣����������,�ڱ߽���������,DLCͿ��ͦ����Ħ��������ԭ�������67%,��ĥ�����ܴ�������;��ʵ��ʹ�ù�����,����������Ħ����ʧ����6%��DLCͿ��������Խ��ͷ�����Ħ����ʧ,������������̼����·�ߡ�
�ؼ���: ������е����; ������; ����ʯ��Ĥ; ��������; Ħ������
Fabrication and properties of tappet with diamond-like carbon film
WU Bin1, LI Jun1,2, ZHANG Jun-yan3, ZHANG Bin3
1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China
2.R&D Center, China FAW Corporation, Changchun 130011, China
3.State Key Laboratory of Solid Lubrication, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
Abstract
The diamond-like carbon (DLC) film was deposited on the valve train tappet of a FAW(First Automobile Works) production engine by dc magnetron sputtering which using methane and argon as the precursors. The influence of the tribological properties of the DLC valve train tappet on engine fuel economy was studied by the test in the universal material tester and the electrically driven valve train test rig. The test results show that friction factor of the DLC valve train was reduced by 67% and the ability of wear resistance was enhanced. Mechanical friction loss of engine valve train was decreased by 6%. DLC coating of engine component makes engines more efficient, so this technology is suitable for the low carbon technical route.
Keyword: power machinery and engineering; engine; diamond-like carbon film; valve train; tribological property

����ʯ(Diamond-like carbon,DLC)Ĥ��һ��Ǿ�̼Ĥ,���е�Ħ������������ĥ�ԡ���Ӳ�ȼ��߻�ѧ�ȶ��ԡ��ѱ��㷺Ӧ���ں��պ��졢��е�����ӵ�����[1]��DLC��Ĥ�ĵ�Ħ������������Ч�ؽ��ͷ������ؼ������Ħ����ʧ,�����ڷ��������ܼ���[2,3,4]���ձ��ղ�������˾���Ƚ�DLC��Ĥ������������������������,������Ħ����ʧ����10%,ȼ��Ч�����1%[5]���������й���һ�����ɷ����޹�˾����������CA4GA��������ͦ���ϳ���DLC��Ĥ,�о�DLC��ĤĦ��ĥ�����ܼ���Է�������������������ʧ��Ӱ�졣

1 DLCͦ���Ʊ������鷽��
1.1 DLCͦ���Ʊ�

���ôſؽ���ķ���,��������ͼ���Ϊ��Դ,���й���һ�����ɷ����޹�˾�����з���CA4GA������ͦ�������������ʯ̼��Ĥ,�Ʊ���������:��ѹΪ0.6 Pa;Ar����Ϊ1.1��10-6 m3/s;CH4����Ϊ7.5��10-5 m3/s;��ƫѹΪ600 V;ռ�ձ�Ϊ20%;�е���Ϊ18 A;�е�ѹΪ280 V;ʱ��Ϊ2.5 h��

����֮ǰ���õ���������ϴ����,�Գ�ȥ����IJ������������������,�ٶ���һ��150��200 nm�Ĺ���ɲ������ӱ�Ĥ�ͻ��׵Ľ������

DLCͦ��������ԭ��ͦ�����漰�������DLC��Ĥ,DLC��Ĥͦ����Ʒ�ʺ�ɫ,������ȹ⻬,Ӳ�ȸ�,��ͼ1��ʾ��

ͼ1 δ�����ͳ���DLC��ͦ��Fig.1 Un-coated and coated DLC tappets
1.2 ���鷽��

Ϊ�˼�����DLC��Ĥͦ����Ħ��ĥ������,�ڴ���������,�Ը���Ϊ��ż,���ö๦��Ħ��ĥ����������в��ԡ�������CSM����Ħ��ĥ���������,���غ�Ϊ400 N(�Ӵ�Ӧ����400 MPa,����͹��ͦ��֮��ʵ��ƽ���Ӵ�Ӧ��Ϊ392 MPa����)����Ӵ�ģʽ��Ƶ��50 Hz��������,��������10W-30�ͺ�����,����ԭ��ͦ�����������֮���Ħ������������ͬ������������,����DLCͦ�����������֮���Ħ����������20 N�غ�������,�ظ����������Ħ���������ڸ�Ħ��������,���ö๦��Ħ��ĥ����������������ĥ���ܡ�

����CA4GA�������׸�,��綯����������������̨��(��ͼ2),ģ��������ת�����������¶�Ϊ����,����ѹ��Ϊ2��105Pa,ʹ�õ�����Ϸ�����͹����,��ʹ͹����ת����300 r/min���ߵ�2000 r/min,��Ӧ������ת����600 r/min���ߵ�4000 r/min������ת�ش�������DEWETON���ݲɼ�ϵͳ��������������������Ħ�����ġ�

��������豸����:YCT132-4B�͵�ŵ��ٵ綯�������϶�͹������ת;DEWE2600��DEWETRON�����������ݲɼ�;LD1605-50�ͼ���λ�ƴ��������ڲ������Ŷ�̬����;307�����Ϳ���װ�������ṩ���ͼ���������״̬���ơ�

ͼ2 ������������̨��Fig.2 Valve train test rig
2 ������������
2.1 ��Ĥ���ܲ���

������������ĴֲڶȱȽϴ�,����������ʯ̼��Ĥ�ķǾ�����,ʹ�����ػ�������ò����,���Գ������������⻬�����ܵı�Ĥ,�������ı�Ĥ�����4.6 ��m����,��ͼ3��ʾ��

ԭ��ͦ������Ϊ20CrMoH,������̼����������,����0.3��0.6 mm,����Ӳ��Ϊ720��850 HV������Hysitron TI-950������ѹ���Dzⶨ����������Ӳ��,��ͼ4��ʾ��


Ϊ���DLC��Ĥ��Ħ��ѧ����,������CSM����Ħ��ĥ��������ϲ���DLC��Ĥͦ����ԭ��ͦ����Ħ��������ͼ5��ʾ���غ�Ϊ400 N�����µIJ������,��ʱ����������ż����֮��Ϊ�߽���,
��ӽ�ͦ����ʵ�����й��������Խ������:δ��DLC��Ĥ��ԭ��ƽ��Ħ������Ϊ0.3,DLC��Ĥ����ƽ��Ħ������Ϊ0.1,������Լ67%���۲���DLCͦ��ԭ��Ħ����ʼ�׶�(running-in)�������������Է���,���߳��ֱȽ����صIJ�����������Ϊ��Ħ����ʼ�׶α���ĴֲڶȻ�Ӱ��Ħ��������ֵ,��ĥ�Ͻ׶λ�ѱ����͹�����֡�ĥƽ��,���մֲڶȵIJ�ͬ,������Ħ������Ҳ��һ����Ħ���ij�ʼ�׶�,DLC��Ĥ����ᷢ��ĥ��,����һЩС��ĥм,��Щĥм��Ħ����֮�������˶��б���ѹ������,���ת�Ƶ���ż�����,�γ�ת��Ĥ[6]����ת��Ĥ����֮��,����Ħ������Ҫ������ת��Ĥ��DLC��Ĥ֮��,�����еͼ�������ת��Ĥ������,��Ч����������˶�ʱ������,ʹDLC��Ĥ���ȶ�Ħ���ڵ�Ħ�����߷dz�ƽ��,Ħ��������ĥ���ʸ��͡���Ĥ�ڲ���ʯī���Ŵ������ͳߴ�������Լ���Ĥ�����򻯹���ͬ���ܹ�����Ħ������[7]��DLC������Ħ������������Թ⻬,���������������ʵ�ʹ�������תƽ��,�����ڼ�С���������񶯼�������

�ڱ߽���������,�غɶԱ�ĤĦ��������Ӱ����Ҫ������ʵ�ʽӴ�����ı仯,��ʽ(1):

ʽ��:��ΪĦ������;SΪ��Ĥ�ļ���ǿ��;AΪʵ�ʽӴ����;WΪ�����غɡ�

����DLC��Ĥ��Ħ�������нṹ��Ӳ�Ⱦ�û�з����ϴ�仯,��˿�����ΪDLC��Ĥ�ļ���ǿ��S���ֲ��䡣��ʱ,��������A/W�ı�ֵ�������غɵ�����,A/W��ֵ�𽥽���,���DZ�ĤĦ�������͵�һ����Ҫԭ��

ͼ6��ʾ�غ�Ϊ20 N�����µ�Ħ���������ߡ����Կ���,��DLCͦ��ԭ����Ħ������Ϊ0.045����,DLC��Ĥ������Ħ������ͬ��Ϊ0.045����,���ߺܽӽ���
(a)��DLCͦ��ԭ��
������Ϊ�ڽϵ͵IJ���ѹ����(����Ϊ20 N),���������Ͷ�ż����֮�����γ���Ч������Ĥ,��ʱΪ������,�Ӷ�ʹĦ����֮���Ħ����Ϊ������󻬿���,��Ĥ��������ɺͽṹ��Ħ��������Ӱ�첻��

����AEP��ά���������Ƿ���ĥ����ò,����ͬ��Ħ��������,������ͬ��ʱ��,DLCͦ����ԭ��ͦ����ĥ��Ա�ͼƬ��ͼ7��ʾ��

��ͼ7���Կ���,δ�������������ĥ�۷dz�����,�����������ص�Ħ��ĥ����Ϊ,������Ϊ���������õ�ƽ���Ӵ�ѹǿ�ϸ�,���»����ڸ�ѹ�·��������Ա��Ρ�������DLC�Ĺ�������ĥ�۷dz�խ����dz,���׷���,���������ĥ�����ܴ����ߡ����ָ��غɳ���������Ҫ��Դ������ʯ̼��Ĥ����ĵ��Իָ����ܡ�����,����ʯ̼��Ĥ�ij�����ʹ��������ѹ���ڵ���������ױ���[8],����治�ᷢ������ͨ�������Ƶľ���Ħ��,�������ڽ���Ħ��������ĥ���ʡ������΢�ṹ���象Ĥ����Ļ�е����,��֤��Ĥ��Ħ�������нṹ���ȶ���,���Ӷ��غɵij�������,��߱�Ĥ�Ŀ���������,����Ħ��������ĥ���ʡ�

ͼ3 DLCͦ�������ĺ����ͼFig.3 Crosssection graph of DLC tappet sample
ͼ4 DLCͿ��Ӳ��Fig.4 Hardness of DLC coatings
ͼ5 �߽���Ħ����������Fig.5 Friction coefficient curve of boundary lubrication
ͼ6 ������Ħ����������Fig.6 Friction coefficient curve of hydrodynamic
lubrication
ͼ7 ĥ������΢����òFig.7 Microgram of wear surface
2.2 ��������̨������

ͼ8��ʾDLCͦ����ԭ��ͦ���Է�����͹����Ť�ص�Ӱ�졣����������:��������������Ӧ��DLCͿ��ͦ����,͹����Ť��ƽ������6%��������Ϊ,
͹�ֺ�ͦ�����Ħ���������źܸߵı�ѹ,���Ӵ�Ӧ���ܸ�,�����˶��а������񶯺ͳ��,����������,�ڸ���ʱĦ�����������ܺܺõ�ɢ��������������������͹�ֺ�ͦ�����Ħ������ͬ�����������֮�����ѹ��,���ܺܺõؽ�������Ĥ,��͹��ͦ���ĽӴ����Ǵ��ڱ߽���״̬��͹����Ӷ�����ļ�����Ĥ����ڵ�ת������С��1.0 ��m,�ȱ���ֲڶ�ֵС�ö�,����������͹��ijһת�Ǵ����ͼд��ٶ�Ϊ�������[9,10]����ͼ8�����Կ���,͹����Ť�����ŷ�����ת�ٵ����߶�����,������Ϊ�ڷ�����������ת���󻬲����������,͹��ͦ��Ħ������Ħ����ʧ�Ӵ�,��������ֲ�������DLC��Ĥͦ���ڷ�����ת��Ϊ600 r/minʱ,�ܽ���Ħ����ʧ11%�����Կ���,DLC��Ĥͦ������Ч���ͷ�������������Ħ����ʧ��

ͼ8 DLC��Ĥͦ��Fig.8 DLC coating tappets
3 �� ��

(1)CA4GA������ͦ������DLC��Ĥ��,�ڱ߽��󻬵�������,Ħ����������67%��

(2)�ڸ�Ħ��������,������ͬʱ���Ħ��ĥ������,CA4GAԭ��ͦ�������ĥ�۷dz�����,�������ص�ĥ��,��DLC��Ĥͦ������ĥ�۷dz�խ����dz,���׷���,��ĥ��������ߡ�

(3)������ͦ������DLC��Ĥ��,͹����Ť
�ؽ���6%,�Ӷ����Խ��ͷ�������������Ħ����ʧ,���ͷ����������ͺĺ��ŷ�;������߷��������ʹ�������Ϳɿ���;Ϊ�������������Ӧ��DLCͿ���ṩ�����ݡ�

�����
[1] Erdemir A. Review of engineered tribological interfaces for improved boundary lubrication[J]. Tribol, 2005, 38 (3) : 249-256. [��������:1]
[2] Gahlin Rickard, Larsson Mats, Hedenqvist Per. ME-C: H coatings in motor vehicles[J]. Wear, 2001, 249 (34) : 302-309. [��������:1]
[3] Bauder Richard, Helbig Jan. The new 3. 0-L TDI biturbo engine from audi[J]. MTZ, 2012 (1) : 26-32. [��������:1]
[4] Boghe Mark, Carvalho Nuno. Surface engineering for DLC coatings[J]. AutoTechnology, 2006, 39 (5) : 50-53. [��������:1]
[5] �ղ������ɹ���������DLCĤ����Ħ������[EB/OL]. [2006-03-20]. http: //www. cnwnews. com/Html/tech_xjs/2006-3/20/114715180. html. [��������:1]
[6] Liu H, Tanaka A, Kumagai T. Influence of sliding mating materials on the tribological behavior of diamond-like carbon films[J]. Thin Solid Films, 1999, 352 (12) : 145-150. [��������:1]
[7] Cui Jin-feng, Zhang Bin, Zhang Jun-yan. Mechanical and tribological properties of Ti-DLC films with different Ti content by magnetron sputtering technique[J]. Applied Surface Science, 2012, 258 (12) : 5025-5030. [��������:1]
[8] Wang Zhou, Zhang Bin, Zhang Jun-yan. Ultralow friction behaviors of hydrogenated fullerene-like carbon films: effect of normal load and surface tribochemistry[J]. Tribology Letters, 2010, 41 (3) : 607-615. [��������:1]
[9] ����Ӣ, ����Ȼ, �ų���. �����ȶ�͹��ͦ��Ħ���������ܵ�Ӱ��[J]. ��ȼ��ѧ��, 2010, 28 (4) : 380-383.
Chang Qiu-ying, Yang Pei-ran, Zhang Chao-hui. Influence of lubricant viscosity on the lubrication of a cam-tappet pair[J]. Transactions of CSICE, 2010, 28 (4) : 380-383. [��������:1]
[10] Gangopadhyay A K, Carter III R O, Simko S. Valve train friction and wear performance with fresh and used low-phosphorous engine oils[J]. Tribology Transactions, 2007, 50 (3) : 350-360. [��������:1]