李 斌 蔡 軍 陳 勇 徐加偉

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.武警士官學(xué)校 浙江杭州 311400)

柴油機(jī)自問(wèn)世以來(lái)由于其良好的經(jīng)濟(jì)性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)在民用運(yùn)輸以及國(guó)防裝備領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而缸套-活塞環(huán)作為柴油機(jī)中最重要的摩擦副之一，其摩擦學(xué)性能的好壞對(duì)柴油機(jī)的正常運(yùn)行有重要的影響[1-3]。尤其是近年來(lái)隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，其單缸功率逐漸增大，缸套-活塞環(huán)摩擦副的運(yùn)行工況變得更加苛刻，這就對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦副的減摩耐磨性能提出了更高的要求。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的研究主要集中于2個(gè)方向，一是表面微造型，二是表面涂層。表面微造型也稱(chēng)為表面微織構(gòu)，即在缸套或者活塞環(huán)表面加工出微米級(jí)尺寸的微凹坑，這些凹坑一方面能夠存儲(chǔ)潤(rùn)滑油，同時(shí)還能收集磨粒，從而起到降低磨損的作用[4-6]。對(duì)于涂層的研究主要是根據(jù)不同涂層的特性來(lái)展開(kāi)的。比如，鉻基陶瓷復(fù)合鍍涂層由于其中陶瓷顆粒的支撐作用具有良好的抗疲勞磨損性能[7]，噴鉬活塞環(huán)由于其硬度較低而表現(xiàn)出良好的抗黏著性能[8]，銅錫合金由于其較低剪切強(qiáng)度和良好的自潤(rùn)滑性能常用于自潤(rùn)滑軸承中[9]。

從現(xiàn)有研究來(lái)看，對(duì)于缸套表面微凹坑的研究主要側(cè)重于微凹坑本身，如微凹坑在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑條件下如何產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，在邊界潤(rùn)滑或者貧油潤(rùn)滑條件下如何收集磨粒[10-12]。而對(duì)于微凹坑與活塞環(huán)減摩涂層共同作用下的磨損機(jī)制的研究較少，尤其是對(duì)于活塞環(huán)Cu-Sn鍍層這種剪切強(qiáng)度低且潤(rùn)滑性能較好的軟涂層的研究更是鮮有報(bào)道。本文作者選用鑄鐵缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環(huán)為配對(duì)副，以缸套表面有無(wú)微凹坑為變量，研究缸套表面微凹坑對(duì)Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環(huán)摩擦性能的影響，為高強(qiáng)化柴油機(jī)摩擦副的設(shè)計(jì)和研究提供借鑒意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的缸套為球墨鑄鐵缸套，缸套內(nèi)徑為300 mm，壁厚為8 mm。采用線(xiàn)切割方法切割成圓周方向6°、軸向42 mm的試樣。缸套表面形貌如圖1所示，其中圖1(a)所示為未加工微凹坑的鑄鐵缸套的表面形貌；圖1(b)所示是通過(guò)鏜孔工藝加工出的有微凹坑的鑄鐵缸套表面，可以看出缸套表面有許多零散分布的微凹坑，凹坑底部由于漏出了石墨組織而顯示黑色。為了盡可能減少其他因素對(duì)試驗(yàn)的干擾，圖1(b)所示缸套是在圖1(a)缸套的基礎(chǔ)上直接加工出來(lái)的。試驗(yàn)選用的活塞環(huán)為Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環(huán)，活塞環(huán)外徑為300 mm，軸向高度為5 mm，采用無(wú)齒鋸切割成沿著圓周方向12°弧長(zhǎng)的活塞環(huán)試樣，其截面形貌如圖2(a)所示。其中第一層為Cu-Sn鍍層，第二層為鍍Cr層，最后一層為基體。圖2(b)示出了Cu-Sn鍍層的成分分析結(jié)果，可以看出其主要成分為Cu和Sn元素。Cu-Sn鍍層和Cr鍍層的表面形貌如圖3所示，其中鍍Cr層的表面形貌是將Cu-Sn鍍層拋光后顯露出來(lái)得到的，可以看出，Cu-Sn鍍層表面分布著許多縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)紋以及大小不同的Cu-Sn顆粒；鍍Cr層表面分布著許多網(wǎng)紋。

圖1 無(wú)微凹和有微凹坑缸套表面形貌

圖2 活塞環(huán)截面形貌及Cu-Sn鍍層成分

圖3 Cu-Sn鍍層和Cr鍍層表面形貌

1.2 試驗(yàn)方法

柴油機(jī)在運(yùn)行至上止點(diǎn)位置時(shí)，由于受到燃?xì)獗l(fā)壓力的影響，加之活塞線(xiàn)速度降低、缸套溫度升高，導(dǎo)致缸套-活塞環(huán)摩擦副在上止點(diǎn)處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，使其磨損加劇。依據(jù)“磨損形式-條件統(tǒng)一”的模擬準(zhǔn)則[13]，對(duì)缸套-活塞環(huán)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行模擬，通過(guò)降低缸套與活塞環(huán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度來(lái)獲得邊界潤(rùn)滑的狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)強(qiáng)化載荷的方式來(lái)加速摩擦副的磨損。按照以上模擬的參數(shù)，采用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試樣的接觸以及運(yùn)動(dòng)形式如圖4所示。

圖4 摩擦試驗(yàn)機(jī)的試件運(yùn)動(dòng)形式

試驗(yàn)過(guò)程分為2個(gè)階段：低載階段和高載階段。低載階段溫度為120 ℃，載荷為7 MPa，時(shí)間為3 h，其目的是讓缸套-活塞環(huán)經(jīng)過(guò)磨合達(dá)到一個(gè)相互匹配的狀態(tài)，減少非試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；高載階段溫度為190 ℃，載荷為56 MPa，時(shí)間為21 h。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速保持200 r/min不變。

2種缸套各進(jìn)行4次重復(fù)試驗(yàn)，用每次試驗(yàn)高載階段趨于穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng)的止點(diǎn)位置的摩擦力除以法向載荷作為配對(duì)副的摩擦因數(shù)，以缸套和活塞環(huán)線(xiàn)磨損量的大小表征其磨損程度，然后取4次試驗(yàn)的平均值，對(duì)比分析2種摩擦副的摩擦性能。每組試驗(yàn)結(jié)束后，將缸套和活塞環(huán)試樣依次置于汽油和乙醇溶液中，用超聲清洗15 min。用OLYMPUS LEXT OLS3100(50×)激光共聚焦顯微鏡(LSM)測(cè)量試驗(yàn)結(jié)束后試樣的表面形貌，根據(jù)試樣磨損區(qū)域和未磨損區(qū)域的高度差來(lái)表示線(xiàn)磨損量；采用德國(guó)ZEISS公司的SUPRA 55 SAPPHIRE型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDX)觀(guān)察試樣磨損前后的表面微觀(guān)形貌，并進(jìn)行表面成分分析。

2 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摩擦因數(shù)與磨損量

表2給出了2種配對(duì)副的摩擦因數(shù)及磨損量?？梢钥闯?，無(wú)微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦因數(shù)為0.106 1，有微凹坑缸套配對(duì)副的摩擦因數(shù)為0.101 8，有微凹坑缸套配對(duì)副的摩擦因數(shù)比無(wú)微凹坑的低4.05%。說(shuō)明缸套表面微凹坑的存在能夠在一定程度上降低配對(duì)副的摩擦因數(shù)。

表2 2種配對(duì)副的摩擦因數(shù)及磨損量

無(wú)微凹坑缸套的線(xiàn)磨損量為1.11 μm，有微凹坑缸套的線(xiàn)磨損量為0.53 μm，后者相比前者線(xiàn)磨損量低52.25%；與無(wú)微凹坑缸套配對(duì)的活塞環(huán)線(xiàn)磨損量為24.12 μm，與有微凹坑缸套配對(duì)的活塞環(huán)線(xiàn)磨損量為22.07 μm，后者相比前者磨損量減小了8.50%。從2種配對(duì)副的活塞環(huán)線(xiàn)磨損量來(lái)看，其線(xiàn)磨損量均超過(guò)了Cu-Sn鍍層的厚度，說(shuō)明在試驗(yàn)結(jié)束后，活塞環(huán)表面的Cu-Sn鍍層都已經(jīng)磨損脫落。

2.2 摩擦副表面微觀(guān)分析

圖5示出了試驗(yàn)結(jié)束后無(wú)微凹坑缸套表面的微觀(guān)形貌，與圖1(a)中缸套的原始形貌相比，其表面磨損比較嚴(yán)重，露出了許多黑色的石墨組織。圖6示出了試驗(yàn)結(jié)束后有微凹坑缸套表面的微觀(guān)形貌，與圖1(b)中試驗(yàn)前的缸套相比，其磨損程度不大。從圖6(a)(b)中可以看出，試驗(yàn)結(jié)束后的缸套表面有許多灰色的補(bǔ)丁狀物質(zhì)，這些補(bǔ)丁狀物質(zhì)多分布在缸套表面微凹坑或者缺陷處。對(duì)圖6(b)中的位置1處進(jìn)行成分分析，可以看出其中含有大量的Cu和Sn元素，如圖6(c)所示。因此可以得出灰色的補(bǔ)丁狀物質(zhì)是活塞環(huán)表面的Cu-Sn鍍層，其在試驗(yàn)過(guò)程中由于受到往復(fù)摩擦力的作用而脫落，鑲嵌到缸套表面的凹陷處。

圖5 試驗(yàn)后無(wú)微凹坑缸套表面微觀(guān)形貌

圖6 試驗(yàn)后微凹坑缸套表面微觀(guān)形貌和成分分析結(jié)果

圖7所示是與無(wú)微凹坑缸套配對(duì)活塞環(huán)試驗(yàn)后的表面微觀(guān)形貌?？梢钥闯?，與無(wú)微凹坑缸套配對(duì)的活塞環(huán)表面磨損嚴(yán)重，鍍層表面原始的網(wǎng)紋已經(jīng)完全消失，且能看到明顯的與滑動(dòng)方向平行的劃痕。圖8所示是與微凹坑缸套配對(duì)活塞環(huán)試驗(yàn)后的表面微觀(guān)形貌?？梢钥闯?，與有微凹坑缸套配對(duì)的活塞環(huán)表面仍能看到原始的網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，說(shuō)明其磨損程度比圖7中活塞環(huán)輕微。但從圖8中可以看出磨損后活塞環(huán)表面的網(wǎng)紋寬度較圖3(b)中的原始網(wǎng)紋寬度明顯變寬，高倍鏡下可以看到網(wǎng)紋處有疲勞脫落的跡象[14]。

圖7 與無(wú)微凹坑缸套配對(duì)活塞環(huán)磨損后的表面形貌

圖8 與微凹坑缸套配對(duì)活塞環(huán)磨損后的表面形貌

2.3 作用機(jī)制探討

Cu-Sn鍍層由于剪切強(qiáng)度低，在往復(fù)摩擦力的作用下首先從活塞環(huán)表面脫落[15]。對(duì)于無(wú)微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環(huán)配對(duì)副來(lái)說(shuō)，由于缸套表面無(wú)微凹坑，因此從活塞環(huán)表面脫落的Cu-Sn鍍層隨著摩擦副的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及潤(rùn)滑油的流動(dòng)被帶離摩擦面，這時(shí)活塞環(huán)表面的鍍Cr層為主要的承載面。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，鍍Cr層網(wǎng)紋邊緣形成應(yīng)力集中區(qū)，并在往復(fù)摩擦力的作用下從活塞環(huán)表面剝落，剝落下來(lái)的微小顆粒又作為磨粒進(jìn)一步加劇了摩擦副的磨損[16]。因此無(wú)微凹坑缸套表面磨損較嚴(yán)重，且與之配對(duì)的活塞環(huán)表面出現(xiàn)了明顯的沿運(yùn)動(dòng)方向的劃痕。

對(duì)于微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr活塞環(huán)配對(duì)副來(lái)說(shuō)，一方面，微凹坑的存在能存儲(chǔ)潤(rùn)滑油、收集磨粒，從而起到減小摩擦因數(shù)、降低磨損的作用；另一方面，從活塞環(huán)表面脫落的Cu-Sn鍍層在往復(fù)摩擦力的作用下鑲嵌到缸套表面的微凹坑中，鑲嵌到微凹坑中的Cu-Sn鍍層中的微納米級(jí)銅錫合金顆粒隨著配對(duì)副的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和潤(rùn)滑油的流動(dòng)從凹坑中擴(kuò)散出來(lái)，起到了二次潤(rùn)滑的作用，延長(zhǎng)了Cu-Sn鍍層的作用壽命[17]，進(jìn)一步減小了配對(duì)副的摩擦因數(shù)和磨損量，因此微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦因數(shù)較低，且缸套和活塞環(huán)的磨損程度較無(wú)微凹坑缸套配對(duì)副輕微。

3 結(jié)論

(1)有微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦因數(shù)、缸套磨損量、活塞環(huán)磨損量比無(wú)微凹坑缸套配對(duì)副分別低4.05%、52.25%、8.50%。

(2)缸套表面的微凹坑能夠?yàn)閺幕钊h(huán)表面脫落的Cu-Sn鍍層提供鑲嵌點(diǎn)，使Cu-Sn鍍層能起到二次潤(rùn)滑的作用，延長(zhǎng)了其作用壽命，減小了配對(duì)副的摩擦因數(shù)和磨損量。