鐘言久 郭亞杰 劉 陽 鄭辰興

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 合肥 233009；2. 中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

壓縮機(jī)是冰箱的核心零部件之一，壓縮機(jī)的質(zhì)量直接決定冰箱的性能。通常來說在壓縮機(jī)各摩擦副中，連桿與活塞銷之間的摩擦副由于受到的作用力最大且易出現(xiàn)磨現(xiàn)象。因此，連桿活塞銷摩擦副可靠性往往是壓縮機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1，2]。在冰箱壓縮機(jī)中，連桿主要用來連接連接曲軸和活塞銷，用于將曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞銷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在連桿的運(yùn)動(dòng)過程中，由于壓縮機(jī)電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)和連桿與活塞銷之間的摩擦作用，使其容易出現(xiàn)噪聲、振動(dòng)等問題，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)效率降低、卡死等，影響冰箱的工作。因此，本文針對(duì)以上問題，對(duì)壓縮機(jī)連桿材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善其自潤滑性能，從而為提高壓縮機(jī)可靠性提供指導(dǎo)。

通常來說，壓縮機(jī)連桿一般為粉末冶金鐵基材料。為了改善粉末冶金鐵基材料的自潤滑性能，已有研究將具有層狀結(jié)構(gòu)的固體潤滑劑石墨添加在鐵基材料中[3，4]。然而石墨與鐵基組織的結(jié)合材料在使用過程中，由于石墨易與鐵生成金屬化合物滲碳體，使得石墨失去了自潤滑的效果。FeS具有與石墨相似的層狀結(jié)構(gòu)，屬六方晶系，其結(jié)構(gòu)易剪切滑移而改善邊界潤滑特性[5，6]，且結(jié)構(gòu)、性能在高溫?zé)Y(jié)過程能夠保持穩(wěn)定。但直接將FeS添加到鐵基材料中，往往會(huì)在組織中產(chǎn)生嚴(yán)重的FeS團(tuán)聚，降低結(jié)合質(zhì)量，且在摩擦過程中易從組織中剝落，削弱連桿材料整體強(qiáng)度及其減摩自潤滑性能[7]。MoS2可以在高溫?zé)Y(jié)過程中和鐵基發(fā)生反應(yīng)而生成FeS[8，9]。為此，本文采用MoS2高溫分解生成FeS的方法解決直接添加FeS時(shí)的團(tuán)聚和界面結(jié)合差問題。

目前，關(guān)于MoS2改善連桿材料自潤滑性能研究的報(bào)道還較為少見，為此開展制備MoS2連桿材料的研究，分析其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與摩擦磨損性能，探討其隨材料成分、含量的變化規(guī)律及機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

冰箱壓縮機(jī)連桿基體材料主要為鐵碳合金，在此基礎(chǔ)上分別添加不同含量的固體潤滑劑（FeS和MoS2），具體如表1所示。首先將不同粉末按照表1進(jìn)行精確稱重配比，再將混合粉末通過液壓機(jī)壓制成測試力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能的生坯。然后利用燒結(jié)爐對(duì)壓制得到的生坯進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，同時(shí)添加氨分解氣體(N2、H2)對(duì)燒結(jié)過程進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，將燒結(jié)溫度設(shè)定為1080℃，燒結(jié)時(shí)間設(shè)定為3.5 h。由MM-200型環(huán)塊式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)完成油潤滑條件下的摩擦系數(shù)測定，待測連桿材料為長方條狀試樣（25×8×8 mm），對(duì)偶件為標(biāo)準(zhǔn)45號(hào)鋼圓環(huán)（外徑40 mm、內(nèi)徑16 mm、高10 mm），硬度為55 HRC。試驗(yàn)開始前，統(tǒng)一對(duì)待測試樣進(jìn)行預(yù)處理，使得每個(gè)待測試樣試驗(yàn)表面處于同一粗糙度，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)工況要求：室溫下，轉(zhuǎn)速為0.5 m/s，載荷600 N，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。在試驗(yàn)過程中，即時(shí)記錄摩擦力矩。試驗(yàn)后，將摩擦力矩轉(zhuǎn)化成摩擦系數(shù)，同時(shí)計(jì)算連桿材料的質(zhì)量損失以反映其磨損量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 連桿材料的金相組織

連桿材料的金相組織如圖1所示。其中白色部分為鐵碳合金組織，灰色部分是FeS，黑色部分為孔隙。圖1(a)可以看出，直接添加FeS的0#連桿材料中的FeS游離并團(tuán)聚分布在鐵碳合金組織中，整體組織中孔隙較多，且FeS易剝落導(dǎo)致其與鐵碳合金組織結(jié)合處存在孔隙。圖1(b)是利用MoS2高溫分解生成FeS的2#連桿材料的金相組織照片，其中燒結(jié)時(shí)分解出的Mo固溶于鐵碳合金組織中形成了固溶體[9]，而FeS成長條狀較為均勻地分布在鐵碳合金組織中，此時(shí)FeS與鐵碳合金組織結(jié)合情況較好，且整體組織中孔隙大幅度減少。這表明利用MoS2高溫分解生成FeS的特性解決了材料中直接添加FeS時(shí)，孔隙較多且FeS易剝落的問題。

表1 連桿材料成分(wt %）

圖1 連桿材料的金相照片

圖2 連桿材料的力學(xué)性能

2.2 連桿的力學(xué)性能

圖2為連桿材料的力學(xué)性能（相對(duì)密度、硬度、抗彎強(qiáng)度）?？梢钥闯觯啾扔谥苯犹砑覨eS的0#連桿材料，添加1 %～5 % MoS2的1#、2#和3#連桿材料的相對(duì)密度、硬度和抗彎強(qiáng)度整體較高。一方面是由于添加適宜含量的MoS2/連桿材料在燒結(jié)時(shí)MoS2分解形成的Mo，活性很大，在試驗(yàn)過程中高溫、壓力的作用下，可加速材料表面擴(kuò)散、位移等過程的進(jìn)行，且Mo的彈性模量大，與鐵碳組織合金化后，可明顯增強(qiáng)連桿材料的基體強(qiáng)度，硬度及致密度[8]；另一方面是燒結(jié)時(shí)分解出的Mo固溶于鐵基體中形成了固溶體，對(duì)材料基體起到了固溶強(qiáng)化的作用，從而提高連桿材料力學(xué)性能[9]。隨著MoS2含量的增加，材料的相對(duì)密度、硬度和抗彎強(qiáng)度呈下降的趨勢。這種現(xiàn)象主要是由于基體中Mo含量的增加，降低了金屬間的相對(duì)接觸，阻使得燒結(jié)質(zhì)量下降，因而連桿材料的力學(xué)性能開始降低。

2.3 連桿的摩擦磨損性能

圖3 連桿材料的摩擦學(xué)性能

圖3（a）表示連桿材料的摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化。直接添加FeS的0#連桿材料的摩擦系數(shù)整體較高，分布在0.14左右，且波動(dòng)較為劇烈。而相比于0#材料，添加MoS2的1～4#連桿材料的摩擦系數(shù)及其波動(dòng)程度均有所降低。并且隨著MoS2添加量的增大，連桿材料的整體摩擦系數(shù)呈降低的趨勢。其中MoS2含量在5 %的3#連桿材料的摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，波動(dòng)性較低，穩(wěn)定0.05左右。而MoS2含量在7 %的4#材料的摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，波動(dòng)程度較為劇烈，且在25 min后，摩擦系數(shù)急劇上升。

圖3（b）表示連桿材料的磨損量。直接添加FeS的0#連桿材料的磨損量較高，在3.8 mm3左右。而相比于0#連桿材料，添加MoS2的1～4#連桿材料的磨損量均有所降低。并且隨著MoS2含量的增大，連桿材料的磨損量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。其中MoS2含量在5%的3#連桿n材料的磨損量最低，在1.9 mm3左右。當(dāng)MoS2含量增加到7 %時(shí)，磨損量上升到3.4 mm3左右，上升幅度在78.95 %左右，這是由于MoS2較高時(shí)，連桿材料的強(qiáng)度下降，因而材料的耐磨性能降低。

2.4 摩擦磨損機(jī)制

表2表征的是圖4中3#連桿材料磨痕區(qū)和非磨痕區(qū)EDS元素含量檢測結(jié)果，顯示試驗(yàn)后的非磨痕區(qū)域S元素含量與添加的含量接近，磨痕區(qū)有較多S元素的存在，其含量明顯比非磨痕區(qū)中S元素含量高，說明在摩擦過程中，受摩擦熱的影響，硫化物會(huì)慢慢向連桿材料的對(duì)磨面轉(zhuǎn)移、附著形成固體潤滑膜起減摩自潤滑作用。

圖5是連桿材料磨痕形貌的SEM照片。由圖5（a）可以看出，直接添加FeS的0#連桿材料的磨痕較深，有明顯的粘著、撕裂痕跡，犁溝較寬，磨損較嚴(yán)重，以粘著磨損為主。圖5（b）可以看出，添加5 % MoS2的3#連桿材料磨痕表面較為平整，犁溝痕跡明顯減少，磨損狀態(tài)輕微。說明適宜MoS2含量材料生成的均勻分布的FeS與鐵碳合金組織結(jié)合能力強(qiáng)，在摩擦磨損過程中容易形成連續(xù)、牢固的FeS表面潤滑膜，從而提高了連桿材料的潤滑效果。圖5（c）所示，添加7 % MoS2的4#連桿材料磨痕表面犁溝開始加深加寬，犁溝附近出現(xiàn)了明顯的裂紋，磨損較為嚴(yán)重。這是由于MoS2含量上升到一定程度后，連桿材料的強(qiáng)度、硬度迅速下降，對(duì)表面潤滑膜的支撐作用降低，表面潤滑膜容易剝落而失效，導(dǎo)致磨損加劇。

表2 EDS檢測結(jié)果(wt %)

圖4 3#連桿材料的SEM照片

圖5 連桿材料磨痕形貌的SEM照片

表3 連桿材料磨痕區(qū)EDS檢測結(jié)果(wt %)

采用EDS能譜分析儀對(duì)圖6磨痕表面進(jìn)行了成分檢測，結(jié)果如表3所示。0#、3#和4#連桿材料磨痕區(qū)域存在較多的S、O、Ni和Cr，其中Ni元素和Cr元素是從對(duì)偶件45號(hào)鋼圓環(huán)上轉(zhuǎn)移而來的，S元素較多說明連桿材料磨痕表面聚集了一層FeS表面潤滑膜，表明在試驗(yàn)過程中形成的FeS表面轉(zhuǎn)移膜起著較好的潤滑效果；相比于0#連桿材料，3#連桿材料磨痕表面的S元素含量較多，說明添加5 % MoS2的連桿材料磨痕處的表面潤滑膜覆蓋率較高，具有良好的邊界潤滑效果。然而4#的S元素含量較少，表明在摩擦磨損過程中4#材料的FeS表面潤滑膜發(fā)生了破裂、剝落，從而導(dǎo)致減摩自潤滑性能的降低。

3 結(jié)論

1）利用MoS2高溫分解生成FeS的MoS2/連桿材料組織中的FeS成長條狀較為均勻地分布，且FeS與組織結(jié)合能力強(qiáng)。組織中整體孔隙率降低，有效解決了連桿材料中直接添加FeS時(shí)，孔隙較多且FeS易剝落的問題。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著MoS2含量的增加，連桿材料的相對(duì)密度、硬度和抗彎強(qiáng)度呈下降的趨勢。

2）相比于直接添加FeS的連桿材料，利用MoS2高溫分解生成FeS的MoS2/連桿材料的摩擦磨損性能較好。隨著MoS2含量的增大，連桿材料的整體摩擦系數(shù)呈降低的趨勢，而磨損量呈現(xiàn)現(xiàn)降低后升高的趨勢，本文中含5 % MoS2連桿材料的綜合摩擦學(xué)性能最好。

3）本文條件下，5 % MoS2的連桿材料體現(xiàn)出好的摩擦學(xué)性能，是由于適宜MoS2含量材料生成的FeS與基體結(jié)合能力強(qiáng)，在摩擦磨損過程中可以形成連續(xù)、牢固的FeS表面潤滑膜，體現(xiàn)出良好的邊界潤滑效果。當(dāng)MoS2含量過高后，連桿材料的強(qiáng)度明顯下降，F(xiàn)eS表面潤滑膜易剝落，反而使其潤滑效果變差，如本文含7 % MoS2連桿材料的減摩耐磨特性變差。