微納材料填充的氣缸套微織構表面抗拉缸性能實驗研究

付景國 王天龍2 朱新河 馬圣林 張蓬予

(1.大連海事大學輪機工程學院 遼寧大連 116026;2.大連中遠船務工程有限公司 遼寧大連 116113)

氣缸套在工作過程中，內表面承受高溫高壓燃氣的沖擊以及活塞環往復運動的摩擦作用，特別是在氣缸套上、下止點位置，氣缸套與活塞環相對運動速度方向發生改變，大小為零，加速度最大，此時氣缸套-活塞環摩擦副表面之間只能形成極薄的邊界油膜，甚至沒有油膜形成，造成干摩擦出現，很容易出現拉缸現象。近幾年，科研人員為改善氣缸套的潤滑狀態，延長其使用壽命，對其減摩耐磨機制進行許多探索，并取得了一定效果，有些已在實際生產中應用，比如表面噴涂和在潤滑油中添加微納米添加劑等。王曉麗等[1]發現粒度在20 nm的銅顆粒添加劑，可使潤滑油摩擦因數降低24%，并對摩擦表面有一定的自修復作用。高傳平[2]發現將質量分數1.5%的片狀磁性Fe3O4納米顆粒加入汽油發動機潤滑油后，氣缸套表面粗糙度比采用純潤滑油時降低約25%，汽油機的時平均耗油量比采用純潤滑油時降低約10%。與此同時，有些理論模型已經建立，但實際效果還在實驗論證階段，比如表面微織構以及對微織構的二次處理等。劉一靜等[3]利用微細電解加工技術，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，通過模擬實驗得出表面織構能夠改善活塞裙部摩擦性能的結論。 SEDLACEK等[4]通過對微織構的形狀和微織構與表面TiA1N沉積層加工程序的研究發現，表面層沉積后再進行表面微織構，在0.2 m/s工況下比先進行微織構再進行表面沉積的摩擦因數要低50%；另外，菱形微織構比圓錐形和凹面形微織構的摩擦學性能要好17%～30%。SLAWOMIR等[5]對42CrMo4材質的圓盤進行微織構，通過銷盤摩擦磨損試驗研究發現，輕載時微織構圓盤的摩擦因數僅為未織構圓盤的1/7，高載時約為其1/2；另外，潤滑油的種類則對微織構的摩擦學行為影響不大。XING等[6]研究了在Al2O3/TiC復合陶瓷表面上激光微織構與MoS2和WS2，以及磁控濺射的WS2/Zr復合固體潤滑劑共同作用下的摩擦學性能，結果表明，表面微織構與固體潤滑劑共同作用能夠明顯提高表面摩擦性能，并且微織構與復合固體潤滑劑結合的方案能夠最有效地降低摩擦和磨損。

目前大多數微織構及其二次處理的文獻多偏重于在正常運轉工況或富油工況下的摩擦學性能，對其在極端工況下的摩擦學性能研究較少。本文作者在對氣缸套試樣表面微織構處理的基礎上，進行了二次處理，填充了具有自潤滑自修復性能的微納米材料，研究在貧油工況下不同填充材料對氣缸套抗黏著磨損性能的影響，為改善內燃機在極端工況下氣缸套-活塞環摩擦副摩擦磨損性能提供參考。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

試驗所用試樣是用定制的內徑為110 mm的鑄鐵氣缸套，以及定制的外徑為110 mm PVD活塞環加工而成。采用數控機床在氣缸套內表面加工出內徑分別為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

對微坑進行熱壓填充處理，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行檢測，蛇紋石粒徑90%分布在417 nm范圍內，二硫化鉬粒徑92%分布在310 nm范圍內。最終得到微坑內徑為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

采用對置式往復摩擦磨損試驗機[7]來測試加工后氣缸套的摩擦學性能。試驗機由加載系統、供油系統、往復運動系統、加熱系統及摩擦力采集系統5個系統組成，可以很好地完成摩擦學性能測試。試驗所用潤滑油為昆侖CD 15W-40號柴油機潤滑油，試驗機轉速為200 r/min，試驗溫度為150 ℃，磨合期載荷為10 MPa，磨合期時間為2 h，后加載到30 MPa工況下繼續運轉3 h。運轉期間持續供油，供油量約為0.1 mL/min；等摩擦力信號穩定后，對試樣進行斷油處理，并開始計時；一直到摩擦力信號出現劇烈波動時計時停止，將該時間定為試樣的抗黏著磨損時間。利用LabVIEW軟件采集系統運轉穩定后的摩擦力信號，研究摩擦因數的變化規律；利用掃描電鏡(TEXCN)研究試樣的微觀結構和磨損形貌，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)測量氣缸套試樣表面微坑加工深度。每組試樣進行3次試驗，以確保在相同測試條件下試驗數據的可靠性，并將測試結果與無填充微織構及珩磨氣缸套結果進行對比。

2 結果與討論

2.1 運轉前期摩擦學性能

圖2給出了不同填充材料對摩擦性能的影響。機械珩磨試樣的平均摩擦因數為0.094，微織構無填充試樣為0.092，微織構填充蛇紋石試樣為0.087 5，微織構填充二硫化鉬試樣為0.085。結果表明：相對于機械珩磨試樣，微織構無填充處理可使試樣的摩擦因數降低2.2%；微織構填充蛇紋石和二硫化鉬后，可使試樣摩擦因數分別降低6.9%和9.6%，其中填充二硫化鉬對摩擦因數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曲線

圖3給出了不同微坑內徑填充不同材料時對摩擦性能的影響。可以看出：微坑內徑0.4 mm填充二硫化鉬試樣的摩擦因數為0.09，填充蛇紋石試樣的摩擦因數為0.089；微坑內徑1 mm填充二硫化鉬試樣的摩擦因數為0.085，填充蛇紋石試樣的摩擦因數為0.086。結果表明：相對于機械珩磨試樣，微織構填充蛇紋石和二硫化鉬后試樣的摩擦因數明顯降低，分別降低了6.4%和9.6%；較大尺寸的微坑內徑對摩擦因數的影響效果稍明顯，微坑內徑1 mm相比微坑內徑0.4 mm，約增加3.2%。

圖3 不同微坑內徑填充不同材料時的摩擦因數曲線

比較圖2、3可見，微坑內徑的大小對摩擦因數有一定影響，而不同的填充材料對摩擦因數影響不大。

2.2 運轉后期的抗黏著磨損時間

圖4示出了不同處理方案的氣缸套試樣的抗拉缸時間對比結果。

圖4 各試樣抗拉缸時間比較

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

圖5示出了抗拉缸性能試驗前后試樣表面形貌。可以看出：抗拉缸性能試驗前，試樣表面較為平整，微坑形狀較為規則，且有機械珩磨紋存在；抗拉缸性能試驗后，試樣表面機械珩磨紋已經消失，微坑形狀也已經發生變形，且微坑周圍材料已經發生轉移，在微坑內也有較大顆粒的存在，如圖5(b)中圓圈位置所示。對微坑內較大顆粒進行能譜分析，結果如圖6所示。可以看出，微坑內大顆粒的Fe元素含量較多，表明部分磨損微粒進入到微坑內。另外，圖6的結果也說明微坑在摩擦磨損過程中起到收集磨粒的作用。

圖5 抗拉缸性能試驗前后微織構填充微納材料試樣表面形貌

圖6 拉缸后微坑內顆粒的成分

圖7示出了拉缸試驗后各試樣的局部表面形貌。從圖7(a)中可以看到，機械珩磨試樣表面有很多溝槽和劃痕，分析認為是試驗斷油處理后，在載荷作用下摩擦副表面間的潤滑油膜被破壞，導致摩擦副直接接觸，產生干摩擦，造成摩擦副之間產生黏著點；而摩擦副之間的相對運動產生的剪切力，會使黏著點斷開而產生黏著磨損；當整個黏著點都脫落時，就產生了磨粒磨損。而微織構處理后試樣表面的劃痕則明顯減輕，說明微坑在減少黏著磨損和磨粒磨損方面起到很大的作用。這是因為氣缸套試樣表面的微坑在摩擦磨損過程中，可儲存一定量的潤滑油，當試驗斷油后，微坑內儲存的潤滑油在往復運動過程中被帶離出來，在一定時間內可以保持摩擦副之間的邊界潤滑狀態，這也解釋了圖4的結果，即微坑處理之后氣缸套的抗拉缸時間延長。隨著斷油時間的增加，微坑內的潤滑油逐漸耗盡，摩擦副之間仍會發生黏著磨損和磨粒磨損，此時，微坑在運動過程中起到收集磨損微粒的作用，也能進一步地減少表面劃痕的產生。將圖7(b)與圖7(c)、(d)、(e)、(f)進行對比可以發現，微織構無填充試樣表面呈類似熱熔之后的狀態，而微織構填充試樣表面相對平整，有少許的劃痕及疲勞顆粒出現，表明試樣微織構填充處理后，其耐磨性能得到提高。

圖7 拉缸后氣缸套試樣表面形貌

對圖7(c)、(d)所示試樣表面進行能譜分析，結果如圖8所示。圖8(a)中試樣表面存在C、O、Mg元素，圖8(b)中試樣表面卻沒有S、Mo元素出現。分析認為在斷油后，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運動中帶出微坑。蛇紋石微顆粒具有Mg-OH/O八面體和Si-O四面體結合而成的雙層結構，層間以離子鍵相連且作用力很弱，在極端條件下化學鍵斷裂，并釋放大量的活性氧，活化基體表面，加之干摩擦產生的局部高溫效應，使得Fe、C、O等活性原子在基體表面富集并發生化學反應，生產自修復膜，提高試樣的耐磨能力[8-10]。圖8(b)中沒有額外元素出現，但其減摩耐磨性能仍然得到提高，分析認為二硫化鉬在試驗過程中沒有與試樣表面金屬發生反應，其良好的摩擦學性能與二硫化鉬自潤滑性能有關。二硫化鉬的結構是一個鉬原子通過共價鍵來連接兩個硫原子，形成一個層面，而層與層之間是通過較小的分子間作用力來連接。在高強度壓力和摩擦力作用下，可將摩擦副之間的摩擦轉化為二硫化鉬材料分子層與層之間的摩擦，進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運動的同時，變得光滑平整。

圖8 氣缸套試樣表面成分

3 結論

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

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

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