凸輪-挺柱摩擦副涂層的性能分析

劉冠成，盧繼平，唐其超，焦思程

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

凸輪-挺柱摩擦副涂層的性能分析

劉冠成，盧繼平*，唐其超，焦思程

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

凸輪-挺柱摩擦副的摩擦磨損對發(fā)動機(jī)性能具有重要影響。為了研究不同涂層下凸輪-挺柱摩擦副的摩擦磨損，分別針對WC（碳化鎢）耐磨涂層、NiCr-Cr3C2減摩涂層及不添加涂層3種情況進(jìn)行摩擦學(xué)性能試驗。在相同涂層情況下，對具有不同形貌的樣件進(jìn)行磨損試驗，得到摩擦系數(shù)、磨損質(zhì)量以及磨損比重等試驗曲線和數(shù)據(jù)。在分析試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定凸輪-挺柱摩擦副采用NiCr-Cr3C2涂層后，其使用壽命得到提高，并且表面粗糙度大，可起到改善摩擦特性的作用。

凸輪-挺柱；耐磨減摩涂層；摩擦學(xué)；表面形貌

0 引言

表面形貌是指物體表面的幾何結(jié)構(gòu)。廣義上講，表面形貌包括粗糙度、波度、形狀誤差和表面紋理4個方面。在工程實際中的表面都不是光滑的理想表面，而是具有微觀起伏變化的粗糙表面［1］。許多試驗及理論分析表明：合理的紋理面積比、紋理大小、紋理深度可以將摩擦系數(shù)降低。表面紋理的作用不僅是在良好潤滑條件下產(chǎn)生流體動壓力，而且在乏油狀態(tài)下同樣起到減摩和提高承載力的作用，這是因為凹陷的紋理是個良好的“蓄油池”?！靶钣统亍钡淖饔妙H受人們青睞，它能夠在設(shè)備啟動的瞬間提供較好的潤滑效果。因此，通過表面形貌的合理設(shè)計可以達(dá)到改善潤滑狀態(tài)、提高摩擦副承載能力、減小磨損、改善摩擦特性的目的［2］。

凸輪-挺柱摩擦副是發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的主要執(zhí)行部分，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的不斷提高，凸輪與挺柱之間的磨損問題顯得愈發(fā)嚴(yán)重。因此，怎樣解決高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速摩擦副的磨損問題變得十分重要［3-4］。本文通過3種涂層的摩擦學(xué)性能試驗，對凸輪機(jī)構(gòu)表面涂層的相關(guān)性能進(jìn)行研究，綜合考慮摩擦系數(shù)及耐磨性等參數(shù)，來確定應(yīng)用何種涂層可提高凸輪-挺柱的使用壽命，并明確其表面形貌特征。

1 耐磨減摩涂層摩擦學(xué)性能試驗方案

試驗以摩擦塊毛坯為基體，涂層分為3種，分別是WC（碳化鎢）耐磨涂層、NiCr-Cr3C2減摩涂層及不添加涂層。因為在本次試驗中表面形貌的不同擬定以粗糙度的大小來區(qū)分，所以兩種添加涂層的試驗又分為拋光和未拋光兩種類型。通過測試不同類型的樣件可以得到更加全面的結(jié)果，并且為了得到相對比較準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，對各組分別進(jìn)行了多次試驗。

根據(jù)涂層使用工況要求［5］，確定摩擦學(xué)性能試驗中所需監(jiān)控的參數(shù)為負(fù)荷、溫度、轉(zhuǎn)速等，所需測試的參數(shù)分別為摩擦力、摩擦系數(shù)、磨損質(zhì)量、磨損比重等。試驗所用潤滑油為長城牌15W-40CD柴油機(jī)油，每次試驗用油100 mL左右。試驗采用MRH-3高速環(huán)塊磨損試驗機(jī)對不同涂層展開摩擦磨損性能測試，試驗機(jī)中的摩擦環(huán)材料為45#鋼，試驗機(jī)及摩擦環(huán)如圖1所示。

圖1 MRH-3高速環(huán)塊磨損試驗機(jī)及摩擦環(huán)Fig.1 MRH-3 high-speed ring-block wear tester and friction ring

2 摩擦磨損試驗結(jié)果與分析

2.1 WC耐磨涂層

在研究WC涂層耐磨效果的試驗中，對涂有WC耐磨涂層的摩擦塊區(qū)分是否拋光后進(jìn)行試驗，不同樣件的粗糙度如表1所示［6］。

表1 摩擦磨損試驗WC涂層樣件粗糙度Tab.1 Roughness of WC coating specimen

2.1.1 試驗結(jié)果 按照試驗方案進(jìn)行試驗后，待各項參數(shù)穩(wěn)定后停止測量，測得負(fù)荷、摩擦力、溫度、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)速與時間的曲線關(guān)系及樣件磨損照片如圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示。所有曲線關(guān)系都繪在一個圖中，各參數(shù)測量范圍的最大值標(biāo)注在圖上方，縱坐標(biāo)表示各參數(shù)測量范圍最大值的百分比。

圖2 WC-1未拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.2 Test curve of WC-1 unpolished and specimen wear photo

圖3 WC-2未拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.3 Test curve of WC-2 unpolished and specimen wear photo

圖4 WC-3未拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.4 Test curve of WC-3 unpolished and specimen wear photo

圖5 WC-1拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.5 Test curve of WC-1 polished and specimen wear photo

圖6 WC-2拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.6 Test curve of WC-2 polished and specimen wear photo

當(dāng)試驗條件及環(huán)境條件均穩(wěn)定時，根據(jù)測得的各組曲線及相應(yīng)縱坐標(biāo)系數(shù)可得摩擦系數(shù)與摩擦力。此外，可由試驗前后樣件質(zhì)量的差別得到磨損質(zhì)量和磨損比重［7］。各試驗樣件的摩擦系數(shù)、磨損質(zhì)量及磨損比重數(shù)據(jù)見表2。

表2 WC耐磨涂層的摩擦磨損試驗結(jié)果Tab.2 Test results of WC coating specimen

2.1.2 結(jié)果分析 根據(jù)表2和圖像對比可知，在摩擦塊表面覆有WC涂層［8-9］的樣件中拋光的平均摩擦系數(shù)比未拋光的平均摩擦系數(shù)要小13.02%，拋光樣件的平均磨損質(zhì)量比未拋光要小77.68%。未拋光樣件的平均磨損比重為拋光后平均磨損比重的4.3倍。通過對以上數(shù)據(jù)的分析可以得出覆有WC涂層的樣件中拋光類型的耐磨性（耐磨性用同等試驗條件下的磨損質(zhì)量進(jìn)行定量說明）為未拋光類型的4.3倍，拋光類型的WC涂層的樣件是比較理想的所需樣件。

2.2 NiCr-Cr3C2減摩涂層

在研究NiCr-Cr3C2涂層耐磨效果的試驗中，對涂NiCr-Cr3C2減摩涂層的摩擦塊區(qū)分是否拋光后進(jìn)行試驗，各樣件的粗糙度如表3所示［10］。

表3 摩擦磨損試驗NiCr-Cr3C2涂層樣件粗糙度Tab.3 Roughness of NiCr-Cr3C2coating specimen

2.2.1 試驗結(jié)果 按照試驗方案進(jìn)行試驗后，測得負(fù)荷、摩擦力、溫度、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)速各個參數(shù)與時間的曲線關(guān)系及樣件磨損照片如圖7、圖8、圖9、圖10、圖11和圖12所示。

圖7 NiCr-Cr3C2-1未拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.7 Test curve of NiCr-Cr3C2-1 unpolished and specimen wear photo

圖8 NiCr-Cr3C2-2未拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.8 Test curve of NiCr-Cr3C2-2 unpolished and specimen wear photo

圖9 NiCr-Cr3C2-3未拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.9 Test curve of NiCr-Cr3C2-3 unpolished and specimen wear photo

圖10 NiCr-Cr3C2-1拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.10 Test curve of NiCr-Cr3C2-1 polished and specimen wear photo

圖11 NiCr-Cr3C2-2拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.11 Test curve of NiCr-Cr3C2-2 polished and specimen wear photo

圖12 NiCr-Cr3C2-3拋光組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.12 Test curve of NiCr-Cr3C2-3 polished and specimen wear photo

同理，根據(jù)測得的各組曲線及試驗前后樣件質(zhì)量，各試驗樣件的摩擦系數(shù)、磨損質(zhì)量及磨損比重數(shù)據(jù)見表4。

表4 NiCr-Cr3C2減磨涂層的摩擦磨損試驗結(jié)果Tab.4 Test results of NiCr-Cr3C2coating specimen

2.2.2 結(jié)果分析 根據(jù)表4和圖像對比可知，在摩擦塊表面覆有NiCr-Cr3C2涂層［11-12］的樣件中拋光的平均摩擦系數(shù)與未拋光的平均摩擦系數(shù)相差不大（差值為0.001 1），未拋光的樣件的平均磨損質(zhì)量是拋光的1.62倍。未拋光樣件的平均磨損比重為拋光的1.58倍。通過對以上數(shù)據(jù)的分析可以得出覆有NiCr-Cr3C2涂層的樣件中拋光類型的耐磨性為未拋光類型的1.58倍，拋光類型的NiCr-Cr3C2涂層的樣件是比較理想的所需樣件。

2.3 毛坯

對沒有添加涂層的摩擦塊毛坯進(jìn)行摩擦學(xué)性能試驗時，選取的各毛坯的粗糙度如表5所示。

表5 摩擦磨損試驗毛坯樣件粗糙度Tab.5 Roughness of blanks

2.3.1 試驗結(jié)果 按照試驗方案進(jìn)行試驗后，測得各組摩擦系數(shù)、磨損質(zhì)量及磨損比重如表6所示。測得負(fù)荷、摩擦力、溫度、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)速各個參數(shù)與時間的曲線關(guān)系及樣件磨損照片如圖13、圖14和圖15所示。

圖13 毛坯-1組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.13 Test curve of blank-1 and specimen wear photo

圖14 毛坯-2組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.14 Test curve of blank-2 and specimen wear photo

圖15 毛坯-3組測試所得曲線以及樣件磨損照片F(xiàn)ig.15 Test curve of blank-3 and specimen wear photo

同理，根據(jù)測得的各組曲線及試驗前后樣件質(zhì)量，其摩擦系數(shù)、磨損質(zhì)量及磨損比重如表6所示。

表6 毛坯件的摩擦磨損試驗結(jié)果Tab.6 Test results of blanks

2.3.2 結(jié)果分析 根據(jù)表6和圖像對比可知，在摩擦塊毛坯的樣件的平均摩擦系數(shù)為0.168 5，毛坯樣件平均磨損質(zhì)量為0.004 5 g，平均磨損比重為0.024 1%，平均表面粗糙度為0.68。將此數(shù)據(jù)與NiCr-Cr3C2未拋光組進(jìn)行比較可得，毛坯組的表面粗糙度雖小，但其摩擦系數(shù)卻大于NiCr-Cr3C2未拋光組。這說明添加減摩涂層對減小接觸面摩擦有一定作用。

3 結(jié)論

根據(jù)對WC耐磨涂層組、NiCr-Cr3C2減摩涂層組及毛坯組的試驗結(jié)果分析，得出下列結(jié)論：

1）以摩擦系數(shù)為研究對象，WC涂層的拋光樣件性能最好；

2）以磨損質(zhì)量和磨損比重來說，NiCr-Cr3C2涂層的拋光樣件耐磨性最好。

WC涂層的拋光樣件和NiCr-Cr3C2涂層的拋光樣件都能提高凸輪-挺柱的使用壽命，但是從磨損情況來看，覆有NiCr-Cr3C2涂層的凸輪-挺柱樣件在提高使用壽命方面所取得的效果更理想。此外，通過分別比較WC耐磨涂層組、NiCr-Cr3C2減摩涂層組拋光與否的摩擦系數(shù)測試結(jié)果可得：雖然拋光后表面粗糙度降低許多，但拋光與未拋光的摩擦系數(shù)卻相差無幾，這說明當(dāng)表面粗糙度大時表面凹陷形成的“蓄油池”已起到改善摩擦特性的作用。

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（責(zé)任編輯：范建鳳）

Performance Analysis of Cam-Tappet Friction Coating

LIU Guancheng，LU Jiping*，TANG Qichao，JIAO Sicheng
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Cam-tappet friction and wear has a major impact on engine performance.To study the wear and friction with different coatings of cam-tappet，the tribological performance test was conducted under three coating conditions，which are with WC wear-resistant coating，with NiCr-Cr3C2anti-friction coating and without coating.In the same coating cases，the author conducted the test with specimens of different mor?phologies，obtained test curves and data of friction coefficient，wear quality and proportion.Based on the test data，it′s easy to know that NiCr-Cr3C2coating on the cam-tappet does good to extend its life，be?sides，the surface roughness plays an important role in improving the friction characteristics.

cam-tappet；wear-resistant anti-friction coating；tribology；surface morphology

TG174.45；TK415

：A

：1673-0143（2015）06-0557-09

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.06.014

2015-11-01

武器裝備預(yù)先研究（62201060504）

劉冠成（1989—），女，碩士生，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)與裝備。

*通訊作者：盧繼平（1966—），男，教授，博士，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)與裝備。E-mail：xiaodingding1953@163.com