納米蛇紋石/SiC 顆粒微弧氧化改性柴油機(jī)鋁合金活塞復(fù)合膜層摩擦學(xué)性能的影響

李曉，胡海峰

（山東交通學(xué)院，山東 威海 264200）

鋁合金因其有良好的可塑性能，且比重小、導(dǎo)熱性好，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子零部件及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。船用中小型柴油機(jī)及車用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例，柴油機(jī)工作中，活塞在氣缸內(nèi)承受高溫、高壓燃?xì)獾臎_刷，潤(rùn)滑油膜不易建立或者被破壞，潤(rùn)滑狀況極差，且活塞在氣缸內(nèi)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因其速度不穩(wěn)定，使其承受較大的往復(fù)慣性力和附加載荷。在這種惡劣的工況下，不可避免的造成活塞表面腐蝕和異常磨損，其運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和使用壽命直接決定柴油機(jī)乃至船舶的可靠性。通過表面強(qiáng)化處理工藝對(duì)鋁合金進(jìn)行熱處理以提高鋁合金表面摩擦學(xué)性能和抗腐蝕性，成了柴油機(jī)制造和再制造的一個(gè)重要方向。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為ZL109 板材， 實(shí)驗(yàn)前將板材加工成40mm×10mm×10mm 的長(zhǎng)方體試樣。先后使用粗糙度等級(jí)不同的砂紙（150 目、250 目、300 目、600 目）打磨到一定的光潔度。 依次使用石油醚、無水乙醇、去離子水超聲清洗以去除試樣表面的油脂。蛇紋石廣泛存在大自然，成本低廉。試驗(yàn)中使用蛇紋石礦石粉體通過球磨儀球磨后得到蛇紋石粉末。用粒度儀測(cè)量蛇紋石粒度分布如圖1 所示，蛇紋石粉末顆粒粒徑在160 ～225nm 之間，已達(dá)到納米水平。

圖1 納米蛇紋石粒度分布

碳化硅是一種典型的多晶型由共價(jià)鍵連接的化合物，碳化硅具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、受熱后變形小、耐磨性好、硬度高等優(yōu)點(diǎn)，但其在自然狀態(tài)下很難天然形成，所以我們使用的碳化硅都是人工制備的。本試驗(yàn)選用國(guó)藥生產(chǎn)的碳化硅，屬于α-SiC，純度97%以上，通過球磨儀球磨后得到碳化硅粉末，用粒度儀測(cè)量Sic 粒度分布，結(jié)果如圖2 所示。碳化硅粉末顆粒粒徑在263 ～397nm 之間，已達(dá)到納米級(jí)。

圖2 納米碳化硅粒度分布

由于納米粒子在電解液中存在沉降和團(tuán)聚效應(yīng)，因此，電解液中不能直接加入納米粒子。實(shí)驗(yàn)中使用聚乙二醇200作為潤(rùn)濕分散劑，為了保證納米粒子溶解更充分，電解液中加入十二烷基硫酸鈉并充分?jǐn)嚢琛?shí)驗(yàn)過程中，選定的電解液參數(shù)及電源參數(shù)如表1、2 所示。

表1 電解液組分 g/L

表2 電源參數(shù)

本文選定蛇紋石、Sic 添加濃度均為2g/L,蛇紋石和Sic 復(fù)配比為1：1 濃度也為2g/L 分別加入到電解液中，制備出三種納米陶瓷膜層。使用 TT260 型渦流測(cè)厚儀和 LWHV1000 型顯微硬度儀測(cè)試陶瓷膜層厚度和顯微硬度，為了測(cè)量準(zhǔn)確，每個(gè)樣品取5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，載荷為100N，載荷作用時(shí)間為10s。通過往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)機(jī)能改變加載力及供油量，更好地模擬柴油機(jī)實(shí)際工作狀況。實(shí)驗(yàn)過程中溫度設(shè)定在10 ～400℃，載荷0 ～200MPa，轉(zhuǎn)速12 ～1500r/min，利用LabVIEW 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并舍棄掉無用數(shù)據(jù)。使用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察鍍層的表面形貌進(jìn)行分析陶瓷膜層摩擦學(xué)性能，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行探究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 膜層基本性能分析

通過渦流測(cè)厚儀和顯微硬度儀測(cè)試添加納米蛇紋石、Sic 粉體及蛇紋石/Sic 復(fù)合粉體的鋁合金微弧氧化膜層，得出數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 膜層性能對(duì)比

由表3 可以看出3 種添加劑陶瓷膜中，Sic 添加劑膜厚及硬度最大，蛇紋石添加劑陶瓷膜厚及硬度最小，Sic 粉體及蛇紋石/Sic 復(fù)合粉體陶瓷膜居中。碳化硅俗稱金鋼砂，其硬度和機(jī)械強(qiáng)度都很高，而蛇紋石是層狀含水鎂硅酸鹽礦物，硬度小。 因此，蛇紋石/Sic 復(fù)合粉體通過微弧氧化作用后陶瓷膜的膜厚和硬度介于兩者之間。

2.2 摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系

要衡量微弧氧化鋁合金表面性能，就需要了解其摩擦性能的好壞，摩擦系數(shù)是摩擦學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。本文采用摩擦磨損試驗(yàn)得到復(fù)合陶瓷層表面摩擦系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系。 摩擦磨損試驗(yàn)在油潤(rùn)滑條件下進(jìn)行，LabVIEW 數(shù)據(jù)采集卡收集的數(shù)據(jù)通過平均1h 內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)算3組樣品的摩擦系數(shù)曲線，如圖3 所示。

圖3 試樣摩擦系數(shù)曲線圖

如圖3 所示，1 組曲線為Sic 微弧氧化陶瓷層摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)圖，2 組曲線為蛇紋石微弧氧化陶瓷層摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)圖，3 組曲線為蛇紋石/ Sic 復(fù)合陶瓷層摩擦系數(shù)趨勢(shì)圖。由圖看出，實(shí)驗(yàn)初始階段蛇紋石陶瓷膜摩擦系數(shù)最小，其它兩種陶瓷膜摩擦系數(shù)相當(dāng)，摩擦實(shí)驗(yàn)初期曲線比較陡直即摩擦系數(shù)下降突出，隨后摩擦系數(shù)不再發(fā)生變化趨于穩(wěn)定。最終可以發(fā)現(xiàn)，納米蛇紋石單質(zhì)微弧氧化陶瓷層穩(wěn)定摩擦系數(shù)小于Sic 單質(zhì)微弧氧化陶瓷層，蛇紋石蛇紋石/Sic 復(fù)合陶瓷層穩(wěn)定摩擦系數(shù)最小。

2.3 摩擦實(shí)驗(yàn)前后表面形貌對(duì)比

在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后使用掃描電鏡對(duì)試件表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，如圖4 所示，試件摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前微弧氧化陶瓷膜表面形貌圖。（a）為蛇紋石添加劑微弧氧化陶瓷膜，（b）為Sic 添加劑微弧氧化陶瓷膜，（c）蛇紋石/Sic 復(fù)合添加劑微弧氧化陶瓷膜。

圖4 微弧氧化陶瓷層摩擦試驗(yàn)前的表面形貌

由圖4 可以看出，納米添加劑微弧氧化陶瓷膜表面粗糙，呈蜂窩狀孔洞，孔徑大小不一。這種現(xiàn)象可以通過微弧氧化過程來解釋，微弧氧化時(shí)電解液中存在微弧放電現(xiàn)象，氧化物被擊穿，高溫下表面出現(xiàn)局部熔融形成孔洞，斷電后冷卻固化時(shí)間短，因此，在膜層表面呈現(xiàn)出大小不一形貌各異的凸峰和微孔。對(duì)比圖（a）（b）（c）可見，3 種加粉后的試樣表面形貌有相同之處，但是差異也很明顯。蛇紋石陶瓷層即圖（a）表面存在大量微孔及放電通道，且微孔孔徑較大，Sic 陶瓷層即圖（b）膜層表面存在泡狀凸起和孔洞，對(duì)于加蛇紋石/ Sic 復(fù)合納米粉后的陶瓷膜即圖（c）磨層表面孔隙和泡狀凸起明顯減少，粗糙度有所降低。

圖5 微弧氧化陶瓷層摩擦試驗(yàn)后的表面形貌

對(duì)比圖5（a）、（b）、（c）可以看出，在摩擦后，蛇紋石/ Sic 復(fù)合添加劑試樣表面形貌最為光滑，孔洞數(shù)量最少，孔徑最小，蛇紋石添加劑試樣表面較 Sic 添加劑表面稍為光滑，這正是因?yàn)樯呒y石質(zhì)地較軟，在磨合過程中蛇紋石磨削可以填充表面孔隙，同時(shí)，又由于硬度高的Sic 的存在，二者聯(lián)合作用對(duì)微弧氧化膜層表面起到自修復(fù)和強(qiáng)化功能。最終得出結(jié)論，蛇紋石/Sic 復(fù)合納米顆粒添加劑微弧氧化陶瓷膜層具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

4 結(jié)語

（1）蛇紋石/Sic 復(fù)合納米顆粒添加劑的加入對(duì)微弧氧化陶瓷層膜厚、硬度影響不大，膜厚、硬度位于兩種單質(zhì)添加劑微弧氧化陶瓷層之間。

（2）蛇紋石/Sic 復(fù)合納米顆粒添加劑微弧氧化陶瓷層在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)定摩擦系數(shù)比一般單質(zhì)納米添加劑陶瓷膜層低。

（3）蛇紋石/Sic 復(fù)合陶瓷層摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后陶瓷膜表面形貌更為光滑致密，粗糙度更小，說明在摩擦磨損過程中，蛇紋石和Sic 的聯(lián)合作用對(duì)磨損后的表面進(jìn)行了修復(fù)和強(qiáng)化，摩擦性能得以改善。