珩磨角和粗糙度對(duì)CuNiCr氣缸套摩擦學(xué)性能的影響

陳文濱，馬思齊，王正，徐久軍

(大連海事大學(xué)船機(jī)修造工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116026)

柴油機(jī)作為當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用廣泛的內(nèi)燃機(jī)，其性能的好壞直接決定整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)械效率和可靠性。隨著其功率密度的提高，作為關(guān)鍵摩擦副的氣缸套和活塞環(huán)將承受比以往更多的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，苛刻的工作條件導(dǎo)致摩擦副的摩擦磨損性能大幅下降。為了提高氣缸套和活塞環(huán)摩擦副的摩擦學(xué)性能，改變氣缸套的內(nèi)表面形貌是目前內(nèi)燃機(jī)行業(yè)普遍采用的方法。

過去，人們普遍認(rèn)為氣缸套內(nèi)壁光滑有利于減少表面微凸體直接接觸，從而起到減摩的作用[1-3]。然而這種類似鏡面的表面結(jié)構(gòu)無法在工作過程中存儲(chǔ)潤滑油，并且在缸套和活塞環(huán)相互接觸的過程中，其表面實(shí)際接觸面積較大。隨著工況的加劇，缸套和活塞環(huán)系統(tǒng)的摩擦學(xué)性能將逐漸變差。因此，表面織構(gòu)化作為一種行業(yè)內(nèi)首選的缸套表面加工方法而被廣泛應(yīng)用[4-6]。平臺(tái)珩磨作為表面織構(gòu)化的一種，是目前最穩(wěn)定、應(yīng)用最廣泛的表面加工方法之一。相比于未經(jīng)表面珩磨處理的氣缸套，表面珩磨可以顯著降低摩擦副的摩擦損失和潤滑油消耗[7-8]。它可以在氣缸套內(nèi)壁上產(chǎn)生較大的承載平臺(tái)，同時(shí)又可以在承載平臺(tái)之間形成許多用來儲(chǔ)存潤滑油的珩磨紋[9-10]。當(dāng)柴油機(jī)工作時(shí)，這些特殊結(jié)構(gòu)對(duì)潤滑油儲(chǔ)存和潤滑油膜形成都起著重要作用[11-13]。此外，G. S. Joshi通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較為粗糙的珩磨表面更容易形成潤滑油膜，且潤滑油膜厚度與粗糙度之間有著明顯的聯(lián)系[14]。S. Yuan經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，氣缸套的摩擦磨損性能與其表面珩磨網(wǎng)紋的分布方向有關(guān)[15]。而珩磨角和粗糙度在高功率密度工況條件下對(duì)氣缸套摩擦磨損性能，尤其是抗拉缸性能的影響目前鮮有報(bào)道。

對(duì)氣缸套摩擦副摩擦學(xué)性能的研究必須考慮摩擦副材料本身。Eun Seok Kim探究了珩磨表面粗糙度對(duì)氣缸套摩擦磨損性能的影響[16-17]，但是試驗(yàn)所用對(duì)磨材料是普通鋼球而非真實(shí)活塞環(huán)。雖然上述研究結(jié)果對(duì)探究珩磨形貌對(duì)氣缸套摩擦磨損性能的影響具有一定的參考意義，但在真實(shí)的氣缸套和活塞環(huán)試樣上進(jìn)行試驗(yàn)得到的結(jié)果更為可靠。

本研究基于磨損試驗(yàn)和抗拉缸試驗(yàn)，探究珩磨角和粗糙度對(duì)CuNiCr氣缸套磨損和抗拉缸性能的影響。在高燃燒壓力和較高溫度的工況下比較了不同珩磨角/粗糙度的CuNiCr氣缸套的摩擦磨損性能的影響規(guī)律以及相關(guān)作用機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

缸套試樣的選材來源于真實(shí)的氣缸套，通過電火花加工(EDM)切割成試驗(yàn)所需尺寸。缸套內(nèi)表面采用不同珩磨工藝處理，得到不同的表面粗糙度和珩磨角。珩磨加工主要包括如下兩步：1)采用大尺寸磨料進(jìn)行粗珩磨加工；2)通過精珩磨工藝去除表面粗糙峰[18]。為了研究珩磨角對(duì)摩擦學(xué)性能的影響，選取珩磨角分別為47°，58°和65°的氣缸套試樣(珩磨表面粗糙度約為1.29 μm)進(jìn)行試驗(yàn)(見圖1)。選取相同珩磨角(約58°)、不同珩磨表面粗糙度的4種氣缸套來研究表面粗糙度對(duì)氣缸套摩擦學(xué)性能的影響，4種缸套的表面粗糙度分別為0.7 μm，0.85 μm，0.98 μm和1.25 μm。所選氣缸套試樣的內(nèi)徑為270 mm，壁厚為10 mm，其化學(xué)成分見表1。氣缸套沿圓周方向以3°為距離等分切割，然后切割成長度43 mm的缸套試樣。由圖2可見，氣缸套基體為片狀珠光體、石墨和少量磷共晶。

圖1 不同珩磨角缸套形貌

元素CMnSiCrNiCu質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.900.881.860.330.510.84

圖2 CuNiCr缸套金相照片

活塞環(huán)試樣同樣從實(shí)際活塞環(huán)上取樣得到，基體為鑄鐵，表面鍍有Cr-Al2O3涂層(涂層由Cr基體和直徑2～3 μm的 Al2O3陶瓷顆粒組成，又稱CKS活塞環(huán))，厚度約為230 μm?；钊h(huán)被切成30等份，每等份中心角為12°。

選用具有良好抗氧化性和耐磨性的CD40機(jī)油作為試驗(yàn)所用潤滑劑。在每次試驗(yàn)之前，所有樣品都用酒精和汽油各清洗兩次以除去表面上的雜質(zhì)。每次試驗(yàn)后，用丙酮清洗測試樣品，除去表面殘余潤滑油和其他磨屑以便觀察磨損前后表面形貌和測量磨損量。

1.2 磨損試驗(yàn)

當(dāng)活塞接近和離開上止點(diǎn)時(shí)通常會(huì)形成較大的氣體壓力和較高的溫度[19-21]。此時(shí)，摩擦副之間的相對(duì)線速度接近0，不易形成潤滑油膜。為了模擬活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)的實(shí)際工況，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了對(duì)置往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(見圖3)。該試驗(yàn)機(jī)可精確控制法向載荷(10 N～10 kN)、摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(0.01～1 m/s)和溫度(30～300 ℃)。試驗(yàn)中，上方活塞環(huán)固定，氣缸套試樣以一定速度在活塞環(huán)下方作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其行程為30 mm。往復(fù)運(yùn)動(dòng)臺(tái)裝有加熱裝置，可以控制試驗(yàn)需要的溫度。磨損試驗(yàn)后，用OLYSUS LTEX-OLS4000共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)測量磨損深度來表征磨損量。在每次磨損試驗(yàn)前后，通過ZEISS-SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜(EDS)對(duì)氣缸套試樣和活塞環(huán)試樣的表面形貌和表面元素進(jìn)行檢測分析。為了加速磨損以盡快評(píng)價(jià)摩擦副的摩擦磨損性能，采用了強(qiáng)化荷載和溫度的方式進(jìn)行試驗(yàn)。詳細(xì)的試驗(yàn)參數(shù)見表2。相同缸套和試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行至少5次重復(fù)試驗(yàn)。

圖3 對(duì)置往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意

試驗(yàn)階段試驗(yàn)參數(shù)磨合期200 r/min,200 ℃,300 N,3 h穩(wěn)定期200 r/min,200 ℃,2 640 N,21 h

1.3 抗拉缸性能試驗(yàn)

抗拉缸性能試驗(yàn)同樣在對(duì)置往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。不同于傳統(tǒng)的載荷級(jí)抗拉缸性能試驗(yàn)，本試驗(yàn)采用在一段穩(wěn)定磨合之后切斷潤滑油供給，用斷油后和拉缸發(fā)生之間的間隔時(shí)間來評(píng)估氣缸套抗拉缸能力。表3中列出了抗拉缸試驗(yàn)各階段的試驗(yàn)參數(shù)，包括磨合階段(低載磨合階段和高載磨合階段)和斷油持續(xù)階段。圖4示出在抗拉缸性能試驗(yàn)中一個(gè)典型的摩擦力曲線。

表3 抗拉缸試驗(yàn)參數(shù)

圖4 拉缸試驗(yàn)中摩擦力隨時(shí)間的變化

2 珩磨角對(duì)氣缸套摩擦、磨損性能的影響

2.1 對(duì)氣缸套磨損量及摩擦因數(shù)的影響

圖5示出具有不同珩磨角的氣缸套摩擦副在止點(diǎn)位置處的摩擦因數(shù)和磨損量。結(jié)果表明：珩磨角對(duì)于氣缸套的摩擦磨損性能有顯著的影響；摩擦副的磨損量和摩擦因數(shù)均隨著珩磨角的增加(47°～65°)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化珩磨角可提高氣缸套的摩擦學(xué)性能。

圖5 不同珩磨角缸套的摩擦因數(shù)、磨損量以及活塞環(huán)的磨損量

2.2 對(duì)氣缸套摩擦學(xué)性能影響的機(jī)制

隨著珩磨角的減小(從65°到58°)，珩磨紋的分布方向逐漸趨于與滑動(dòng)方向垂直。珩磨紋分布方向與滑動(dòng)方向的夾角越大，在摩擦副相對(duì)滑動(dòng)過程中對(duì)潤滑油流動(dòng)起到的阻塞作用也越大，從而在珩磨紋內(nèi)形成局部潤滑油渦流。這種潤滑油渦流可以在兩接觸表面間表現(xiàn)出較好的承載能力，進(jìn)而改善摩擦副摩擦學(xué)性能。

但當(dāng)珩磨角減小較多時(shí)(從58°到47°)，氣缸套活塞環(huán)間的實(shí)際接觸面積將增加，這可能會(huì)加劇摩擦副之間的磨損。Tomanik通過建立統(tǒng)計(jì)粗糙度接觸模型獲得了與上述摩擦磨損試驗(yàn)相同的規(guī)律，這也證明了改變珩磨角可改變氣缸套的摩擦學(xué)性能[22]。

磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，CuNiCr缸套的珩磨角在58°左右較為合理。

3 珩磨表面粗糙度對(duì)氣缸套摩擦、磨損性能的影響

3.1 對(duì)摩擦因數(shù)的影響

圖6示出不同珩磨表面粗糙度的氣缸套在穩(wěn)態(tài)磨損階段止點(diǎn)處的摩擦因數(shù)。隨著珩磨表面粗糙度從0.7 μm增加到0.85 μm，摩擦因數(shù)急劇下降。然而，隨著珩磨表面粗糙度的繼續(xù)增大(從 0.85 μm到0.98 μm)，摩擦因數(shù)又呈上升趨勢。當(dāng)珩磨表面粗糙度增加到1.25 μm時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。由此可見，珩磨表面粗糙度為0.85 μm時(shí)CuNiCr氣缸套摩擦因數(shù)最低。

圖6 不同珩磨粗糙度下氣缸套的摩擦因數(shù)

3.2 對(duì)氣缸套和活塞環(huán)磨損量的影響

圖7示出不同珩磨表面粗糙度下氣缸套和活塞環(huán)試樣的磨損量。隨著缸套珩磨表面粗糙度的增大，氣缸套和活塞環(huán)的磨損量均為先減小后增大。珩磨表面粗糙度為0.85 μm時(shí)綜合磨損量最小，由此可見，CuNiCr氣缸套的最佳珩磨表面粗糙度應(yīng)該在0.85 μm左右。

圖7 氣缸套與活塞環(huán)的磨損量

3.3 進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段的磨合期時(shí)間

圖8示出各摩擦副在低載磨合結(jié)束后進(jìn)入穩(wěn)定高載磨合階段的時(shí)間。由圖8可見，珩磨表面粗糙度最小(0.7 μm)的摩擦副進(jìn)入穩(wěn)定高載磨合的時(shí)間最短，約為1.3 h，而珩磨表面粗糙度較高(0.98 μm和1.25 μm)的摩擦副進(jìn)入穩(wěn)定高載磨合的時(shí)間相對(duì)較長，分別為4.9 h和4.3 h?？梢钥闯觯S著珩磨表面粗糙度的增加，進(jìn)入穩(wěn)定高載磨合階段的時(shí)間逐漸增加，這意味著珩磨表面粗糙度同樣影響高載工況下氣缸套的磨合性能。

綜上所述，珩磨表面粗糙度較低的氣缸套摩擦學(xué)性能相對(duì)較差，但進(jìn)入穩(wěn)定磨損期的時(shí)間也較短。這種現(xiàn)象是因?yàn)檩^高珩磨表面粗糙度的氣缸套表面珩磨峰和珩磨谷之間的高度差相對(duì)較大，在磨合過程中，將珩磨表面上的微凸體磨平所需的嚙合力較大，且將粗糙表面碾平所需的時(shí)間也較長。

圖8 不同珩磨粗糙度下進(jìn)入穩(wěn)定高載磨合階段的時(shí)間

3.4 磨損試驗(yàn)后氣缸套試樣止點(diǎn)處的表面形貌和元素分布

各缸套試樣磨損后表面形貌基本一致，且表面元素除了質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同外成分也保持一致。圖9示出磨損試驗(yàn)后磨損區(qū)的典型磨損表面形貌和EDS元素分布。磨損后表面珩磨紋理仍然清晰，小部分紋理已經(jīng)被磨平并有一些磨料碎片被碾壓到珩磨紋內(nèi)。此外，由圖9e、圖9g和圖9h可見，磨損區(qū)域除了氣缸套基體元素外，還包含潤滑添加劑元素P，S和Ca。

圖9 缸套磨損后表面典型形貌和元素分布

圖10示出具有不同珩磨表面粗糙度的氣缸套試樣磨損試驗(yàn)后表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在不同珩磨粗糙度的氣缸套試樣上都可以觀察到潤滑油添加劑元素，珩磨表面粗糙度為0.7 μm的表面上含有的潤滑油元素(P，S和Ca)最少(見圖10a)，而珩磨表面粗糙度為1.25 μm的氣缸套試樣含有的潤滑油添加劑元素較多(見圖10d)。潤滑油元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加意味著儲(chǔ)存在工作表面上的潤滑油質(zhì)量增加。這種現(xiàn)象是由于不同珩磨表面粗糙度氣缸套的珩磨紋深度不同所致，珩磨表面粗糙度較大的氣缸套擁有較深的珩磨紋，因此其儲(chǔ)存潤滑油的能力也相對(duì)較強(qiáng)，磨損試驗(yàn)后表面潤滑油元素較多。

圖10 不同珩磨粗糙度缸套磨損區(qū)域的各元素含量

3.5 不同珩磨表面粗糙度氣缸套的磨損機(jī)制

摩擦副的耐磨性取決于摩擦副的自身特性和其所處的工況條件。本試驗(yàn)中各摩擦副所處工況條件是一致的，因此摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損量的變化是由氣缸套內(nèi)壁的表面粗糙度不同引起的。

從磨損試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著氣缸套珩磨表面粗糙度的增大，摩擦性能并沒有得到持續(xù)改善。不同珩磨表面粗糙度的氣缸套試樣磨損表面形貌見圖11。對(duì)于珩磨表面粗糙度較小的氣缸套試樣(0.7 μm和0.85 μm)，磨損后表面珩磨紋清晰且表面光滑，磨損表面沒有明顯的材料剝離和塑性變形。而對(duì)于珩磨表面粗糙度較大的氣缸套試樣(0.98 μm和1.25 μm)，磨損表面上發(fā)現(xiàn)了明顯的塑性變形和疲勞剝落，珩磨紋逐漸被塑性流動(dòng)層填充并逐漸消失。當(dāng)珩磨表面粗糙度從0.85 μm增加到1.25 μm時(shí)，摩擦副磨損深度增加。這是因?yàn)榇植诙容^大的氣缸套內(nèi)表面珩磨峰和珩磨谷的高度差較大，與珩磨粗糙度較小的氣缸套相比，粗糙度較大的氣缸套在與活塞環(huán)相互接觸的過程中更容易發(fā)生基體黏附、撕裂、拖動(dòng)和剝落等情況。

在高燃燒壓力和較高溫度梯度工況條件下，珩磨平臺(tái)表面的材料容易發(fā)生塑性變形并沿平行或垂直滑動(dòng)方向擠壓。由圖12可見，珩磨粗糙度較大的氣缸套表面由塑性流動(dòng)產(chǎn)生的薄層將在承載平臺(tái)的邊緣逐漸形成。由于接觸表面間的往復(fù)滑動(dòng)，更多的塑性流動(dòng)薄層被碾壓進(jìn)入珩磨紋內(nèi)并逐漸將其填充，最終增加了氣缸套和活塞環(huán)之間的實(shí)際接觸面積。此外，薄層在碾壓過程中也會(huì)在珩磨平臺(tái)的邊緣發(fā)生斷裂并剝落，最終在滑動(dòng)表面間形成磨粒。這些磨粒將增大兩接觸面間的機(jī)械咬合力并引起嚴(yán)重的磨粒磨損，最終使其摩擦磨損性能下降。CuNiCr氣缸套磨損機(jī)制示意見圖13。

圖11 不同珩磨粗糙度缸套表面磨損形貌

圖12 珩磨粗糙度為0.98 μm和1.25 μm缸套表面磨損形貌

3.6 珩磨表面粗糙度對(duì)氣缸套抗拉缸性能的影響

圖14示出不同珩磨表面粗糙度氣缸套的抗拉缸時(shí)間對(duì)比。結(jié)果表明，隨著珩磨表面粗糙度的增加，抗拉缸時(shí)間先增加后減小。珩磨表面粗糙度為0.85 μm的氣缸套抗拉缸時(shí)間最長，表明該氣缸套擁有較好的抗拉缸性能。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由以下兩個(gè)原因引起的：a)珩磨紋自身具有一定的儲(chǔ)油性能，在斷油后可以起到提供潤滑油的作用；粗糙度較大的珩磨表面擁有較深的珩磨紋，因此需要消耗更多的時(shí)間來耗盡其表面存儲(chǔ)的潤滑油；b)粗糙度較大的表面會(huì)產(chǎn)生較多的磨粒，這些磨粒會(huì)在斷油后在兩表面間產(chǎn)生一定的磨粒磨損，另外，磨粒會(huì)被擠壓到珩磨紋內(nèi)，從而擠壓出儲(chǔ)存在珩磨紋內(nèi)的潤滑油，進(jìn)而加速了潤滑油消耗并導(dǎo)致抗拉缸時(shí)間變短。類似的現(xiàn)象在之前也有報(bào)道，Zabala指出適當(dāng)?shù)溺衲ゼy深度可以大幅度提高表面潤滑油膜厚度，而較深的珩磨紋則會(huì)引起局部潤滑油膜塌陷，最終導(dǎo)致潤滑油膜變薄甚至破裂[23]。

4 結(jié)論

a) 珩磨角對(duì)摩擦因數(shù)和磨損量均有顯著影響,當(dāng)珩磨表面粗糙度保持不變時(shí)，58°左右的珩磨角表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能;

b) 缸套磨損機(jī)理：珩磨平臺(tái)表面的材料在法向載荷作用下發(fā)生塑性變形,同時(shí)，塑性流動(dòng)薄層從接觸平臺(tái)邊緣被擠出，最終在缺陷或應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生裂紋并脫落形成碎屑;

c) 隨著缸套珩磨表面粗糙度的增大，摩擦因數(shù)和磨損量均先減小后增大,試驗(yàn)結(jié)果表明CuNiCr氣缸套表面粗糙度為0.85 μm時(shí)磨損量最低且抗拉缸性能最好。