不同潤滑油缸套涂層摩擦磨損性能研究

李世永 龔軍振 張春明 王思陽 帥明軒

摘要：為了研究不同型號潤滑油對有無涂層缸套摩擦磨損性能的影響，采用往復式摩擦磨損試驗機進行樣塊試驗，對DLC活塞環與有無涂層缸套及5W-30和10W-40潤滑油進行配對對比試驗，并通過掃描電鏡觀察其磨損后的缸套表面形貌。結果表明：5W-30和10W-40有涂層的樣塊平均摩擦系數分別為0.065 01和0.11，無涂層的樣塊平均摩擦系數為0.078 46和0.116；5W-30和10W-40有涂層的樣塊平均磨損量分別為0.317 μm和0.274 μm，無涂層的樣塊平均磨損量為1.688 μm和1.861 μm。結論：在相同試驗條件下，有涂層樣塊的摩擦系數小于無涂層樣塊的摩擦系數，磨損量遠小于無涂層區域的磨損量；在相同試驗條件下，使用5W-30潤滑油的摩擦系數小于使用10W-40的摩擦系數；涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量；無涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量；有無涂層對磨損量的影響很大，不同粘度的潤滑油對摩擦系數的影響很大，但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。

關鍵詞：DLC活塞環；涂層；潤滑油；氣缸套；摩擦磨損

中圖分類號：TK421? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0080-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.022

0? ? 引言

活塞環—缸套摩擦副作為柴油機重要的摩擦副之一，其摩擦磨損性能對柴油機的動力性和使用壽命有著較大影響。隨著柴油機對性能要求的提高，改善活塞環—缸套的摩擦磨損性能引起了廣大學者的關注[1-4]。

涂層是用一定的工藝方法，均勻噴涂在基體表面的保護膜層，對基體耐磨性的提高有著重要意義。葉子波等人[5]研究了金屬涂層缸套的耐磨性能，發現Cr3C2噴涂缸套在200 N載荷下摩擦系數隨時間的增加呈階梯式減小。李斌等人[6]發現松孔鍍鉻活塞環摩擦系數和磨損量比鍍硬鉻低3.96%、53.18%。李柏強等人[7]發現WC-12Co涂層Q235碳鋼缸套具有優良的耐磨性能，比KmTBCr8白口鑄鐵缸套摩擦系數要低。熊春華等人[8]通過潤滑計算模型，確定了適用于活塞環—缸套的潤滑油粘度指標。瞿磊等人[9]通過在潤滑油中添加MoS2發現0.1%的MoS2有效降低了缸套摩擦系數和磨損量，并且摩擦副表面也沒有出現裂紋，明顯改善了活塞環—缸套的摩擦磨損性能。

綜上所述，通過表面處理工藝和改善潤滑條件來提高活塞環—缸套摩擦磨損性能是可行的，并且具有更大的發展和應用潛力。因此，本研究通過一系列試驗，在不同潤滑狀態下研究了DLC涂層對缸套的摩擦系數、磨損量的影響，并通過掃描電鏡觀察磨損形貌。結果表明，涂層對缸套磨損量的影響很大，不同粘度的潤滑油對摩擦系數影響也大，但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。

1? ? 試驗材料及方法

1.1? ? 試驗材料

試驗采用合金鋼活塞環，取6份長度為8 mm的樣塊，其取樣部位示意圖如圖1所示。

試驗采用DLC涂層鑄鐵氣缸套，涂層為DLC，分別在有無涂層區域取6份15 mm×43 mm的樣塊，取樣部位示意圖如圖2所示。缸套表面原始形貌如圖3（a）（b）所示，由圖可以看出有涂層的樣塊表面有許多凹坑，這是涂層的噴涂孔隙，有利于存儲潤滑油。

5W-30和10W-40潤滑油為市場通用潤滑油。

1.2? ? 試驗方法

采用UMT-3摩擦磨損試驗機進行往復式摩擦磨損試驗，載荷為400 N，行程為15 mm，頻率16.67 Hz，溫度120 ℃，摩擦4 h，選擇5W-30和10W-40兩種潤滑油，滴油速度為0.1 mL/min。為減小試驗誤差，分別進行3次試驗對其求平均值，試驗方案如表1所示。

試驗裝置為UMT-3摩擦磨損試驗機，如圖4所示。

試驗流程如圖5所示，每次試驗結束后，將樣塊放入超聲清洗機中清洗15 min，清洗介質為酒精。采用三維形貌儀NPFLEX測量磨痕寬度、深度，采用掃描電鏡（SUPRATM55）對試驗后的樣塊磨損表面形貌進行觀察。

2? ? 試驗結果與分析

2.1? ? 摩擦系數和磨損量

表2、表3顯示了使用不同型號的潤滑油時樣塊的摩擦系數和磨損量的試驗結果。

根據表2、表3繪制對比圖形，如圖6所示。結合表2、表3及圖6可以看出，使用5W-30潤滑油時，無涂層樣塊的平均摩擦系數為0.078 46，有涂層樣塊的平均摩擦系數為0.065 01，降低了17%；無涂層樣塊的平均磨損量為1.688 μm，有涂層樣塊的平均磨損量為0.317 μm，降低了81%。使用10W-40潤滑油時，無涂層樣塊的平均摩擦系數為0.116，有涂層樣塊的平均摩擦系數為0.11，降低了5%；無涂層樣塊的平均磨損量為1.861 μm，有涂層樣塊的平均磨損量為0.274 μm，降低了85%。同時也可以看出，使用5W-30潤滑油的樣塊摩擦系數小于使用10W-40的摩擦系數，說明了樣塊不同粘度的潤滑油對摩擦系數影響較大。

2.2? ? 磨損表面形貌

圖7為試驗后缸套有涂層磨損量數據，圖8為試驗后缸套無涂層磨損量數據，可以看出圖8中無涂層樣塊磨痕寬度、深度比較明顯，而圖7中涂層樣塊幾乎沒有磨損，這說明涂層有著較好的微裂紋抵抗能力，有效改善了缸套的耐磨性能。而無涂層樣塊由于性能較差，受到載荷擠壓時，磨屑會擠到網紋中產生堆積，被當作磨料，增大了活塞環與缸套的接觸面積，也致使摩擦系數增大。同時也可以看出，涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量，無涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量，說明了樣塊有無涂層對磨損量的影響很大，但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。

圖9（a）（b）顯示了在120 ℃、潤滑條件下缸套樣塊的磨損形貌。受到400 N載荷時，樣塊大部分表面被磨平，這是由于在摩擦過程中脫落的涂層被擠壓嵌入到網紋和凹坑中，使潤滑油不再聚集，在摩擦副表面形成均勻的油膜，從而降低了摩擦系數，減小了磨損量。而無涂層的樣塊性能較差，在摩擦時缸套表面會產生微裂紋，隨著磨損時間加長，微裂紋足夠大時，就會造成部分硬質相脫落作為磨粒，進一步加劇了缸套的磨損，因此在缸套表面出現了沿運動方向的劃痕，進一步增加了缸套的磨損量，主要表現為磨粒磨損。試驗不是在封閉環境中進行的，因此在油膜不均勻的地方可能存在氧化磨損。

3? ? 結論

本文對不同潤滑條件下有無涂層缸套進行了摩擦磨損試驗，試驗后采用掃描電鏡等對試驗數據進行測量，通過對試驗數據的分析比較得到如下結論：

（1）在相同試驗條件下，與DLC活塞環匹配，有涂層缸套樣塊摩擦系數小于無涂層缸套樣塊，有涂層樣塊的磨損量遠小于無涂層區域的磨損量。

（2）在相同試驗條件下，使用5W-30潤滑油的摩擦系數小于使用10W-40的摩擦系數。

（3）在相同試驗條件下，涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量。

（4）在相同試驗條件下，無涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量。

（5）有無涂層對磨損量的影響很大，不同粘度的潤滑油對摩擦系數的影響很大，但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。

[參考文獻]

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[9] 瞿磊，蔣安，王忠，等.潤滑條件與缸套材料對活塞環-缸套摩擦磨損特性的影響[J].機械工程材料，2021，45（12）：36-41.

收稿日期：2023-05-12

作者簡介：李世永（1987—），男，山東人，工程師，研究方向：內燃機制造技術。

通信作者：龔軍振（1989—），男，河南項城人，工程師，研究方向：內燃機制造技術。