微納材料填充的氣缸套微織構(gòu)表面抗拉缸性能實(shí)驗(yàn)研究

付景國(guó) 王天龍2 朱新河 馬圣林 張蓬予

(1.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 遼寧大連 116026;2.大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司 遼寧大連 116113)

氣缸套在工作過(guò)程中，內(nèi)表面承受高溫高壓燃?xì)獾臎_擊以及活塞環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦作用，特別是在氣缸套上、下止點(diǎn)位置，氣缸套與活塞環(huán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向發(fā)生改變，大小為零，加速度最大，此時(shí)氣缸套-活塞環(huán)摩擦副表面之間只能形成極薄的邊界油膜，甚至沒(méi)有油膜形成，造成干摩擦出現(xiàn)，很容易出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象。近幾年，科研人員為改善氣缸套的潤(rùn)滑狀態(tài)，延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)其減摩耐磨機(jī)制進(jìn)行許多探索，并取得了一定效果，有些已在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，比如表面噴涂和在潤(rùn)滑油中添加微納米添加劑等。王曉麗等[1]發(fā)現(xiàn)粒度在20 nm的銅顆粒添加劑，可使?jié)櫥湍Σ烈驍?shù)降低24%，并對(duì)摩擦表面有一定的自修復(fù)作用。高傳平[2]發(fā)現(xiàn)將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的片狀磁性Fe3O4納米顆粒加入汽油發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油后，氣缸套表面粗糙度比采用純潤(rùn)滑油時(shí)降低約25%，汽油機(jī)的時(shí)平均耗油量比采用純潤(rùn)滑油時(shí)降低約10%。與此同時(shí)，有些理論模型已經(jīng)建立，但實(shí)際效果還在實(shí)驗(yàn)論證階段，比如表面微織構(gòu)以及對(duì)微織構(gòu)的二次處理等。劉一靜等[3]利用微細(xì)電解加工技術(shù)，在活塞試樣的裙部加工出幾種不同直徑和深度的凹坑表面織構(gòu)，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得出表面織構(gòu)能夠改善活塞裙部摩擦性能的結(jié)論。 SEDLACEK等[4]通過(guò)對(duì)微織構(gòu)的形狀和微織構(gòu)與表面TiA1N沉積層加工程序的研究發(fā)現(xiàn)，表面層沉積后再進(jìn)行表面微織構(gòu)，在0.2 m/s工況下比先進(jìn)行微織構(gòu)再進(jìn)行表面沉積的摩擦因數(shù)要低50%；另外，菱形微織構(gòu)比圓錐形和凹面形微織構(gòu)的摩擦學(xué)性能要好17%～30%。SLAWOMIR等[5]對(duì)42CrMo4材質(zhì)的圓盤進(jìn)行微織構(gòu)，通過(guò)銷盤摩擦磨損試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，輕載時(shí)微織構(gòu)圓盤的摩擦因數(shù)僅為未織構(gòu)圓盤的1/7，高載時(shí)約為其1/2；另外，潤(rùn)滑油的種類則對(duì)微織構(gòu)的摩擦學(xué)行為影響不大。XING等[6]研究了在Al2O3/TiC復(fù)合陶瓷表面上激光微織構(gòu)與MoS2和WS2，以及磁控濺射的WS2/Zr復(fù)合固體潤(rùn)滑劑共同作用下的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，表面微織構(gòu)與固體潤(rùn)滑劑共同作用能夠明顯提高表面摩擦性能，并且微織構(gòu)與復(fù)合固體潤(rùn)滑劑結(jié)合的方案能夠最有效地降低摩擦和磨損。

目前大多數(shù)微織構(gòu)及其二次處理的文獻(xiàn)多偏重于在正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況或富油工況下的摩擦學(xué)性能，對(duì)其在極端工況下的摩擦學(xué)性能研究較少。本文作者在對(duì)氣缸套試樣表面微織構(gòu)處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了二次處理，填充了具有自潤(rùn)滑自修復(fù)性能的微納米材料，研究在貧油工況下不同填充材料對(duì)氣缸套抗黏著磨損性能的影響，為改善內(nèi)燃機(jī)在極端工況下氣缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損性能提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用試樣是用定制的內(nèi)徑為110 mm的鑄鐵氣缸套，以及定制的外徑為110 mm PVD活塞環(huán)加工而成。采用數(shù)控機(jī)床在氣缸套內(nèi)表面加工出內(nèi)徑分別為0.4、1 mm，深度為1 mm，間距為兩倍直徑的幾種表面微坑，其三維形貌圖如圖1所示。

圖1 微坑三維形貌圖

對(duì)微坑進(jìn)行熱壓填充處理，填充材料分別為蛇紋石和二硫化鉬微納米顆粒。顆粒直徑采用粒度儀進(jìn)行檢測(cè)，蛇紋石粒徑90%分布在417 nm范圍內(nèi)，二硫化鉬粒徑92%分布在310 nm范圍內(nèi)。最終得到微坑內(nèi)徑為0.4 mm，分別填充蛇紋石和二硫化鉬微納顆粒的2種試樣，以及微坑內(nèi)徑為1 mm，分別填充蛇紋石和二硫化鉬微納顆粒的2種試樣。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

采用對(duì)置式往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[7]來(lái)測(cè)試加工后氣缸套的摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)機(jī)由加載系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及摩擦力采集系統(tǒng)5個(gè)系統(tǒng)組成，可以很好地完成摩擦學(xué)性能測(cè)試。試驗(yàn)所用潤(rùn)滑油為昆侖CD 15W-40號(hào)柴油機(jī)潤(rùn)滑油，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，試驗(yàn)溫度為150 ℃，磨合期載荷為10 MPa，磨合期時(shí)間為2 h，后加載到30 MPa工況下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3 h。運(yùn)轉(zhuǎn)期間持續(xù)供油，供油量約為0.1 mL/min；等摩擦力信號(hào)穩(wěn)定后，對(duì)試樣進(jìn)行斷油處理，并開始計(jì)時(shí)；一直到摩擦力信號(hào)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)時(shí)計(jì)時(shí)停止，將該時(shí)間定為試樣的抗黏著磨損時(shí)間。利用LabVIEW軟件采集系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的摩擦力信號(hào)，研究摩擦因數(shù)的變化規(guī)律；利用掃描電鏡(TEXCN)研究試樣的微觀結(jié)構(gòu)和磨損形貌，用能譜分析儀分析試樣表面材料成分；利用三維共聚焦顯微鏡(OLYMPUS-OLS3100)測(cè)量氣缸套試樣表面微坑加工深度。每組試樣進(jìn)行3次試驗(yàn)，以確保在相同測(cè)試條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，并將測(cè)試結(jié)果與無(wú)填充微織構(gòu)及珩磨氣缸套結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)轉(zhuǎn)前期摩擦學(xué)性能

圖2給出了不同填充材料對(duì)摩擦性能的影響。機(jī)械珩磨試樣的平均摩擦因數(shù)為0.094，微織構(gòu)無(wú)填充試樣為0.092，微織構(gòu)填充蛇紋石試樣為0.087 5，微織構(gòu)填充二硫化鉬試樣為0.085。結(jié)果表明：相對(duì)于機(jī)械珩磨試樣，微織構(gòu)無(wú)填充處理可使試樣的摩擦因數(shù)降低2.2%；微織構(gòu)填充蛇紋石和二硫化鉬后，可使試樣摩擦因數(shù)分別降低6.9%和9.6%，其中填充二硫化鉬對(duì)摩擦因數(shù)的改善效果好于蛇紋石，其改善程度約提升2.7%。

圖2 不同填充材料的摩擦因數(shù)曲線

圖3給出了不同微坑內(nèi)徑填充不同材料時(shí)對(duì)摩擦性能的影響。可以看出：微坑內(nèi)徑0.4 mm填充二硫化鉬試樣的摩擦因數(shù)為0.09，填充蛇紋石試樣的摩擦因數(shù)為0.089；微坑內(nèi)徑1 mm填充二硫化鉬試樣的摩擦因數(shù)為0.085，填充蛇紋石試樣的摩擦因數(shù)為0.086。結(jié)果表明：相對(duì)于機(jī)械珩磨試樣，微織構(gòu)填充蛇紋石和二硫化鉬后試樣的摩擦因數(shù)明顯降低，分別降低了6.4%和9.6%；較大尺寸的微坑內(nèi)徑對(duì)摩擦因數(shù)的影響效果稍明顯，微坑內(nèi)徑1 mm相比微坑內(nèi)徑0.4 mm，約增加3.2%。

圖3 不同微坑內(nèi)徑填充不同材料時(shí)的摩擦因數(shù)曲線

比較圖2、3可見(jiàn)，微坑內(nèi)徑的大小對(duì)摩擦因數(shù)有一定影響，而不同的填充材料對(duì)摩擦因數(shù)影響不大。

2.2 運(yùn)轉(zhuǎn)后期的抗黏著磨損時(shí)間

圖4示出了不同處理方案的氣缸套試樣的抗拉缸時(shí)間對(duì)比結(jié)果。

圖4 各試樣抗拉缸時(shí)間比較

由圖4可以看出：氣缸套試樣表面微織構(gòu)填充能較大幅度提高其抗拉缸時(shí)間，且較大尺寸的微織構(gòu)對(duì)抗拉缸時(shí)間的影響更明顯；在同等尺寸微織構(gòu)條件下，填充不同的微納材料對(duì)抗拉缸時(shí)間的影響不明顯。其中機(jī)械珩磨氣缸套試樣的抗拉缸時(shí)間為1 274 s；表面微織構(gòu)無(wú)填充試樣的抗拉缸時(shí)間為1 605 s，比機(jī)械珩磨提高29.5%；微織構(gòu)內(nèi)徑0.4 mm且填充蛇紋石和二硫化鉬試樣的抗拉缸時(shí)間分別為1 935和2 007 s，兩者相差不大，比機(jī)械珩磨試樣提高約54.7%，比表面微織構(gòu)無(wú)填充試樣提高約22.8%；微織構(gòu)內(nèi)徑1 mm且填充兩種顆粒試樣的抗拉缸時(shí)間為2 367和2 279 s，比機(jī)械珩磨試樣提高約82.3%，比表面微織構(gòu)無(wú)填充試樣提高約41.6%，比微織構(gòu)內(nèi)徑0.4 mm且填充的試樣提高約15.3%。

2.3 黏著磨損后的表面形貌評(píng)價(jià)

圖5示出了抗拉缸性能試驗(yàn)前后試樣表面形貌。可以看出：抗拉缸性能試驗(yàn)前，試樣表面較為平整，微坑形狀較為規(guī)則，且有機(jī)械珩磨紋存在；抗拉缸性能試驗(yàn)后，試樣表面機(jī)械珩磨紋已經(jīng)消失，微坑形狀也已經(jīng)發(fā)生變形，且微坑周圍材料已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)移，在微坑內(nèi)也有較大顆粒的存在，如圖5(b)中圓圈位置所示。對(duì)微坑內(nèi)較大顆粒進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，微坑內(nèi)大顆粒的Fe元素含量較多，表明部分磨損微粒進(jìn)入到微坑內(nèi)。另外，圖6的結(jié)果也說(shuō)明微坑在摩擦磨損過(guò)程中起到收集磨粒的作用。

圖5 抗拉缸性能試驗(yàn)前后微織構(gòu)填充微納材料試樣表面形貌

圖6 拉缸后微坑內(nèi)顆粒的成分

圖7示出了拉缸試驗(yàn)后各試樣的局部表面形貌。從圖7(a)中可以看到，機(jī)械珩磨試樣表面有很多溝槽和劃痕，分析認(rèn)為是試驗(yàn)斷油處理后，在載荷作用下摩擦副表面間的潤(rùn)滑油膜被破壞，導(dǎo)致摩擦副直接接觸，產(chǎn)生干摩擦，造成摩擦副之間產(chǎn)生黏著點(diǎn)；而摩擦副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力，會(huì)使黏著點(diǎn)斷開而產(chǎn)生黏著磨損；當(dāng)整個(gè)黏著點(diǎn)都脫落時(shí)，就產(chǎn)生了磨粒磨損。而微織構(gòu)處理后試樣表面的劃痕則明顯減輕，說(shuō)明微坑在減少黏著磨損和磨粒磨損方面起到很大的作用。這是因?yàn)闅飧滋自嚇颖砻娴奈⒖釉谀Σ聊p過(guò)程中，可儲(chǔ)存一定量的潤(rùn)滑油，當(dāng)試驗(yàn)斷油后，微坑內(nèi)儲(chǔ)存的潤(rùn)滑油在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被帶離出來(lái)，在一定時(shí)間內(nèi)可以保持摩擦副之間的邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，這也解釋了圖4的結(jié)果，即微坑處理之后氣缸套的抗拉缸時(shí)間延長(zhǎng)。隨著斷油時(shí)間的增加，微坑內(nèi)的潤(rùn)滑油逐漸耗盡，摩擦副之間仍會(huì)發(fā)生黏著磨損和磨粒磨損，此時(shí)，微坑在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到收集磨損微粒的作用，也能進(jìn)一步地減少表面劃痕的產(chǎn)生。將圖7(b)與圖7(c)、(d)、(e)、(f)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，微織構(gòu)無(wú)填充試樣表面呈類似熱熔之后的狀態(tài)，而微織構(gòu)填充試樣表面相對(duì)平整，有少許的劃痕及疲勞顆粒出現(xiàn)，表明試樣微織構(gòu)填充處理后，其耐磨性能得到提高。

圖7 拉缸后氣缸套試樣表面形貌

對(duì)圖7(c)、(d)所示試樣表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖8所示。圖8(a)中試樣表面存在C、O、Mg元素，圖8(b)中試樣表面卻沒(méi)有S、Mo元素出現(xiàn)。分析認(rèn)為在斷油后，填充蛇紋石微納米顆粒的試樣，蛇紋石微納米顆粒被摩擦副在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中帶出微坑。蛇紋石微顆粒具有Mg-OH/O八面體和Si-O四面體結(jié)合而成的雙層結(jié)構(gòu)，層間以離子鍵相連且作用力很弱，在極端條件下化學(xué)鍵斷裂，并釋放大量的活性氧，活化基體表面，加之干摩擦產(chǎn)生的局部高溫效應(yīng)，使得Fe、C、O等活性原子在基體表面富集并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)自修復(fù)膜，提高試樣的耐磨能力[8-10]。圖8(b)中沒(méi)有額外元素出現(xiàn)，但其減摩耐磨性能仍然得到提高，分析認(rèn)為二硫化鉬在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有與試樣表面金屬發(fā)生反應(yīng)，其良好的摩擦學(xué)性能與二硫化鉬自潤(rùn)滑性能有關(guān)。二硫化鉬的結(jié)構(gòu)是一個(gè)鉬原子通過(guò)共價(jià)鍵來(lái)連接兩個(gè)硫原子，形成一個(gè)層面，而層與層之間是通過(guò)較小的分子間作用力來(lái)連接。在高強(qiáng)度壓力和摩擦力作用下，可將摩擦副之間的摩擦轉(zhuǎn)化為二硫化鉬材料分子層與層之間的摩擦，進(jìn)而起到減摩耐磨作用。另外，微納米顆粒在摩擦副之間的“微軸承”和“微拋光”作用[11]，也可使粗糙的摩擦副表面在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，變得光滑平整。

圖8 氣缸套試樣表面成分

3 結(jié)論

(1)微織構(gòu)填充氣缸套試樣的摩擦因數(shù)低于單微織構(gòu)及機(jī)械珩磨的氣缸套試樣，且較大尺寸的微坑內(nèi)徑對(duì)摩擦因數(shù)的影響效果稍明顯，最大可使摩擦因數(shù)降低9.6%。在大尺寸微坑內(nèi)填充二硫化鉬的減摩效果要好于蛇紋石，在小尺寸微坑內(nèi)的改善減摩效果則不明顯。

(2)氣缸套試樣表面微織構(gòu)填充能較大幅度提高其抗拉缸時(shí)間，且較大尺寸的微織構(gòu)對(duì)抗拉缸時(shí)間的影響更明顯；在同等尺寸微織構(gòu)條件下，填充不同的微納米顆粒對(duì)抗拉缸時(shí)間的影響不明顯。

(3)微織構(gòu)填充的氣缸套試樣的抗拉缸性能的提高是微織構(gòu)收集磨粒、填充微納米材料的自身結(jié)構(gòu)性能以及微納米顆粒的微軸承和微拋光共同作用的結(jié)果。