氣缸套表面微坑填充物的釋放行為試驗研究

付景國 朱新河 馬圣林 于洪飛

摘要：為探究氣缸套表面微坑填充微納顆粒的釋放行為，在其試樣表面進行微坑處理并填充蛇紋石粉，通過往復(fù)式摩擦磨損試驗機進行試驗。結(jié)果表明：填充物的外溢深度隨微坑深度的增加而增加，且外溢深度占比逐漸減少;開始階段溢出率比較大，后續(xù)變得平穩(wěn);在微納顆粒的釋放過程中摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定，釋放完畢后摩擦因數(shù)會有所上升;氣缸套表面微坑填充微納顆粒的釋放行為與藥物膠囊相似，釋放緩慢，發(fā)揮作用充分。

關(guān)鍵詞：氣缸套; 微坑填充物; 釋放行為; 溢出率

中圖分類號： U664; TH117

文獻標(biāo)志碼： A

Abstract：In order to investigate the releasing behavior of micro-nano particles that fill micro-dimples on the surface of the cylinder liner， the micro-dimple treatment and the filling operation with serpentine powder are carried out on the surface of the sample， and the reciprocating friction and wear tester is used to do the experiment. The results show that： the depth of the filling spillover increases with the increase of the micro-dimple depth， while the proportion of the spillover depth decreases gradually; the spillover rate is larger at the beginning， and then becomes steady later; the friction factor is relatively stable in the releasing process of micro-nano particles， and after the release， the friction factor increases a little; the releasing behavior of micro-dimple filling on the surface of the cylinder liner， similar to that of the medicine capsule， is slow and effective.

0 引 言

內(nèi)燃機因其安全可靠、經(jīng)濟性好、功率范圍廣等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在船舶、汽車和工程機械中。氣缸套-活塞環(huán)作為內(nèi)燃機中重要的摩擦副，對內(nèi)燃機整機的性能和可靠性有著極為重要的影響，改善該摩擦副的摩擦性能具有十分重要的意義。

為改善氣缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦性能，表面織構(gòu)因其具有儲存滑油和收集磨粒的作用而被越來越多的研究者[1-2]所關(guān)注。對表面織構(gòu)的研究既有單純的表面織構(gòu)形狀對氣缸套-活塞環(huán)摩擦性能影響的試驗研究[3]，也有表面織構(gòu)形狀對摩擦副減摩的動壓潤滑的理論研究[4]，還有對氣缸套表面織構(gòu)潤滑的仿真分析[5]。VLADESCU等[6]還發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)對往復(fù)運動的摩擦副也有一定的減摩效果。表面織構(gòu)已被證實能有效改善摩擦副的摩擦性能，但在極端條件下表面織構(gòu)中存儲的液體潤滑劑對摩擦副的摩擦性能影響相對較弱。

隨著微加工工藝的提高，表面微織構(gòu)加工方法以及對表面織構(gòu)二次處理的方法也逐漸變得豐富。郭俊文[7]對微織構(gòu)化后的316不銹鋼做了離子滲氮復(fù)合處理，發(fā)現(xiàn)在干摩擦和脂潤滑的情況下進行二次處理可以使摩擦副之間的摩擦因數(shù)波動較小，磨損失重有一定程度的減少。XING等[8]研究了在復(fù)合陶瓷表面激光微織構(gòu)內(nèi)填充固體潤滑劑對陶瓷摩擦性能的影響。華?？〉萚9]發(fā)現(xiàn)試樣在經(jīng)過激光織構(gòu)、淬火、固體潤滑劑填充處理后摩擦因數(shù)下降約50%。王天龍[10]將微坑填充技術(shù)應(yīng)用在氣缸套上，并研究了微坑直徑、深度和間距對氣缸套摩擦性能的影響。HU等[11]研究了固體潤滑劑填充方式對復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)摩擦性能的影響。以上研究都表明采用表面織構(gòu)與復(fù)合填充工藝相結(jié)合的方法對改善試樣的摩擦性能有一定的效果。

在工程實際中表面織構(gòu)中所填充的微納顆粒的量會隨使用時間的增加而逐漸減少，其變化量也會對試樣的摩擦性能造成一定的影響。對微坑填充微納顆粒而言，微坑直徑、深度越小，填充量就越少，且在油潤滑情況下微納顆粒會加速外溢，因此有必要探究微納顆粒在摩擦磨損過程中的釋放情況，以期對需要長時間工作的機械設(shè)備的加工有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗步驟

1.1 試驗材料

試驗采用內(nèi)徑為110 mm的鑄鐵氣缸套和外徑為110 mm的物理氣相沉積（physical vapor deposition， PVD）活塞環(huán)，采用數(shù)控機床在氣缸套內(nèi)表面加工出內(nèi)徑為1.0 mm，深度分別為0.4、0.7、1.0 mm，間距為兩倍直徑的幾種表面微坑，其三維形貌見圖1。因為在摩擦磨損過程中作為滑油添加劑的蛇紋石微納顆?？稍跉飧滋妆砻嫘纬梢粚颖Ｗo膜，對氣缸套表面磨損所造成的金屬脫落起到一定的補償作用[12]，所以選用蛇紋石微納顆粒作為填充材料。對微坑進行熱壓填充處理，蛇紋石粒徑（采用粒度儀檢測）90%在417 nm以內(nèi)。

1.2 摩擦磨損試驗

采用對置往復(fù)式摩擦磨損試驗機[13]研究微坑中微納顆粒的釋放行為。試驗機由加載系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、往復(fù)運動系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和摩擦力采集系統(tǒng)等5個系統(tǒng)組成，可以很好地完成摩擦學(xué)性能測試。試驗采用昆侖CD 15W-40號柴油機潤滑油;試驗機轉(zhuǎn)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，后增加載荷至30 MPa繼續(xù)運轉(zhuǎn);對每種方案的每個試樣分別連續(xù)運轉(zhuǎn)12、24、36、48、60和72 h后對表面微坑深度進行測量;運轉(zhuǎn)期間一直供油，供油量約為0.1 mL/min。利用LabVIEW軟件采集系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的摩擦力信號來研究摩擦因數(shù)的變化，利用三維共聚焦顯微鏡（OLYMPUS-OLS3100）測量氣缸套試樣表面微坑的深度。

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（編輯 賈裙平）