內(nèi)壁耐磨性的參數(shù)關(guān)聯(lián)性研究

何濟(jì)泉 曹迪 梁建宇 陳明謙 黃健明 李厚志

摘要：連桿小頭襯套和活塞銷緊密配合并隨著發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致襯套內(nèi)壁材料因發(fā)生摩擦磨損而失效，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全性能。本文介紹了汽車連桿小頭襯套的結(jié)構(gòu)及功能，并利用摩擦磨損試驗(yàn)儀、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）、能譜儀（EDS）等設(shè)備對(duì)CuSn8Ni和CuSn6P兩種連桿襯套內(nèi)壁材料的磨痕形貌、磨損機(jī)制、磨損量、摩擦系數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行了研究和對(duì)比分析。

Abstract： The small end bushing of the connecting rod and the piston pin are closelymatch and reciprocate with the piston. The long-term reciprocating movement can easily cause friction and wear of the inner wall material of the bushing and fail， which affects the safety of the engine.In this article， the structure and function of the automobile connecting rod small head bushing are introduced.And using friction and wear tester， Field Emission Scanning Electron Microscope （FESEM）， Energy Dispersive Spectrometer （EDS）and other equipment to study and compare thewear morphology， wear mechanism， and wear resistance of the two connecting rod bushing materials， CuSn8Ni and CuSn6P.

關(guān)鍵詞：錫青銅;連桿襯套;耐磨性;襯套內(nèi)壁

Key words： tin bronze;connecting rod bushing;abrasion resistance;bushing inner wall

中圖分類號(hào)：K405? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0001-03

0? 引言

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能過程中重要的傳動(dòng)零件，它在工作過程中承受著氣缸內(nèi)燃燒壓力形成的交變載荷做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。連桿小頭襯套與氣缸活塞通過與活塞銷結(jié)合，起到支撐活塞銷的作用，并相對(duì)于活塞銷做25～35°范圍內(nèi)的往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)易發(fā)生磨損的部件之一。連桿襯套與活塞銷的摩擦運(yùn)動(dòng)接觸面主要是依靠飛濺的潤(rùn)滑油及曲軸箱中的油霧來進(jìn)行潤(rùn)滑，由于連桿襯套與活塞銷之間一般為過盈配合或小間隙配合，間隙配合的間隙僅為0.005～0.01mm，潤(rùn)滑油難以充分進(jìn)入襯套內(nèi)壁表面，且較小尺寸的連桿襯套無潤(rùn)滑油槽結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑油更難以對(duì)摩擦接觸面進(jìn)行有效的潤(rùn)滑[1]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸活塞也以較高速度做線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿襯套與活塞銷接觸面的潤(rùn)滑效果顯著降低，往往以干摩擦或有干摩擦參與的混合摩擦狀態(tài)進(jìn)行往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)，干摩擦的運(yùn)動(dòng)方式及交變載荷加劇了接觸面的惡化，極易引起因連桿襯套內(nèi)壁材料發(fā)生摩擦磨損失效而產(chǎn)生的油孔堵死、燒蝕、抱死、變形松脫等嚴(yán)重影響設(shè)備安全運(yùn)行的故障[2-5]。

連桿襯套是鑲嵌在連桿座孔內(nèi)的部件，它的存在避免了連桿本體與活塞銷直接接觸而發(fā)生磨損，當(dāng)襯套發(fā)生磨損失效后可直接更換新襯套，降低維修成本和提高了連桿、軸等部件的使用壽命。在以前，我國(guó)汽車工業(yè)領(lǐng)域常以CuSn10Pb10、CuPb15Sn8、CuPb17Sn4Zn4等鉛青銅合金材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿襯套材料，該類鉛青銅材料機(jī)械性能已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)新需求，且含鉛的材料在生產(chǎn)和加工過程中會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成損害，已被逐步淘汰。近年來，新型的錫青銅、鋁青銅、共晶硅鋁合金等材料被廣泛應(yīng)用在連桿襯套生產(chǎn)領(lǐng)域。李鵬[6]研究了代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CuSn10Pb10無鉛銅基襯套材料，通過對(duì)新型無鉛CuSn10Bi3、CuSn8Ni襯套內(nèi)壁材料與傳統(tǒng)含鉛材料CuSn10Pb10進(jìn)行力學(xué)性能、耐磨性能和耐腐蝕性能進(jìn)行對(duì)比，得出新型無鉛銅錫合金材料具有更好的耐摩擦磨損性能和更高的抗拉強(qiáng)度及抗疲勞強(qiáng)度，可以完全替代傳統(tǒng)含鉛襯套內(nèi)壁材料。魏滿暉[7]等人對(duì)鉛青銅、錫青銅、鋁青銅等連桿襯套內(nèi)壁材料的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果表明錫青銅具有良好的綜合力學(xué)性能，此外還具有成本低、無毒無害等優(yōu)點(diǎn)。其他研究還表明銅錫合金襯套材料具有良好的導(dǎo)熱性能，能夠避免因局部溫度過高而出現(xiàn)的抱死現(xiàn)象，此外銅錫合金材料還具有較高的承受交變載荷能力、蠕變強(qiáng)度及良好的減磨降阻性能，在汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[8-9]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)內(nèi)壁耐磨性的參數(shù)關(guān)聯(lián)性研究大多是對(duì)活塞缸套的研究，本文著力于對(duì)連桿襯套進(jìn)行探究，并對(duì)CuSn8Ni和CuSn6P襯層材料的磨痕形貌、磨損機(jī)制、磨損量、摩擦系數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行了研究和對(duì)比分析。

1? 試驗(yàn)材料及方法

連桿小頭襯套一般采用雙金屬層結(jié)構(gòu)，外層是由高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)低碳鋼構(gòu)成，能夠使襯套具有較高的承載能力;內(nèi)層為導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕性能高、摩擦系數(shù)小的銅錫合金構(gòu)成，兩層不同的金屬通過熱軋等特殊工藝緊密復(fù)合在一起。除了雙金屬層結(jié)構(gòu)外，近年來出現(xiàn)了如圖1中三金屬層結(jié)構(gòu)的襯套，最內(nèi)層一般由厚度小于10μm的鍍層構(gòu)成，鍍層材料一般是由具有較好摩擦性能的金屬構(gòu)成。本文選用2種最常用的背鋼-CuSn8Ni雙金屬層結(jié)構(gòu)的襯套及鋼-CuSn6P-Sn三金屬層結(jié)構(gòu)的襯套作為摩擦性能研究對(duì)象，其中三金屬層結(jié)構(gòu)襯套的最內(nèi)層鍍層厚度為2μm的金屬Sn構(gòu)成，襯層為較厚的CuSn6P層構(gòu)成。

連桿小頭襯套與活塞銷緊密配合并隨著發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的運(yùn)轉(zhuǎn)做往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)，為了模擬襯套內(nèi)壁材料摩擦條件并獲取摩擦、磨損等參數(shù)，采用美國(guó)RECT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩種連桿襯套內(nèi)壁材料進(jìn)行線性往復(fù)摩擦試驗(yàn)，得出其平均摩擦系數(shù)、磨損量、磨痕形貌等信息，并根據(jù)這些信息對(duì)每種內(nèi)壁材料的磨損機(jī)理進(jìn)行分析和總結(jié)。經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)，得出該類材料摩擦試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)參數(shù)如下：摩擦試驗(yàn)機(jī)的加載壓力為10N，摩擦?xí)r間為30min，摩擦頻率為4Hz，摩擦頭為與活塞銷材質(zhì)相近的優(yōu)質(zhì)硬合金鋼球。每次摩擦試驗(yàn)后需要轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦鋼球的接觸點(diǎn)，保證每次試驗(yàn)的摩擦條件相同。

采用萬分位電子天平對(duì)樣品摩擦磨損試驗(yàn)前后的重量進(jìn)行稱量，得出每種襯套內(nèi)壁材料的磨損量;利用FESEM對(duì)摩擦試驗(yàn)后磨痕形貌進(jìn)行觀察和分析，并使用EDS能譜對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)前后樣品的元素面分布變化規(guī)律進(jìn)行了掃描分析。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摩擦系數(shù)及磨損量的對(duì)比分析

摩擦系數(shù)是反映材料摩擦性能的重要指標(biāo)，對(duì)于相同的摩擦副來說，摩擦系數(shù)越小的材料其耐磨性能也越好，對(duì)兩種襯層材料的摩擦系數(shù)測(cè)定有助于進(jìn)一步了解其耐摩擦磨損性能。圖2是兩種襯套內(nèi)壁材料的摩擦系數(shù)與摩擦?xí)r間的關(guān)系曲線，由曲線圖可看出兩種材料的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間變化不斷發(fā)生波動(dòng)，在摩擦初始階段波動(dòng)較大，然后逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)于CuSn8Ni襯套內(nèi)壁材料，其摩擦系數(shù)穩(wěn)定后呈現(xiàn)出先降低后逐步升高的變化規(guī)律，且到最后階段出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。針對(duì)于CuSn6P襯套內(nèi)壁材料來說，由于其內(nèi)壁表面鍍有一層厚度為2μm的Sn鍍層，而金屬Sn質(zhì)地較軟，在較小的作用力下就能發(fā)生塑性變形，所以在前200s內(nèi)其平均摩擦系數(shù)較小。當(dāng)內(nèi)壁的Sn鍍層被劃破后，摩擦鋼球接觸到的是CuSn合金襯層，其相對(duì)于Sn鍍層來說具有較高的硬度和較大摩擦力，因此摩擦系數(shù)緩慢提高并逐步保持穩(wěn)定。用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)自帶軟件MFT17對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得出CuSn8Ni內(nèi)壁材料的平均摩擦系數(shù)為0.5023，而CuSn6P內(nèi)壁材料的平均摩擦系數(shù)為0.3824，這表明CuSn6P襯套內(nèi)壁材料的摩擦系數(shù)較小，相對(duì)于CuSn8Ni雙金屬層結(jié)構(gòu)襯套具有更好的耐摩擦性能。

在相同摩擦磨損試驗(yàn)條件下的磨損量能夠直觀反映出材料的耐摩擦磨損性能。在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前，將兩種不同內(nèi)壁材料的待測(cè)試樣用酒精清洗干凈并干燥處理，再使用萬分位電子天平分別稱量3次，并取其平均值作為樣品磨前重量。在摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣品使用超聲波清洗儀、酒精等進(jìn)行徹底清洗除去磨屑等雜質(zhì)，烘干后再次取每個(gè)樣品的3次平均重量，每種樣品磨前磨后平均重量差值即為樣品的磨損量，磨損量測(cè)試具體數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1的磨損量數(shù)據(jù)可以得出，在相同的摩擦磨損條件下CuSn8Ni內(nèi)壁磨損失重為1.50mg，而CuSn6P內(nèi)壁失重量為0.60mg，在相同條件下CuSn6P的磨損量最小，僅為CuSn8Ni內(nèi)壁材料磨損量的40%，具有更出色的耐摩擦磨損性能。

2.2 磨痕形貌及摩擦機(jī)理的研究分析

摩擦劃痕形貌是研究材料摩擦機(jī)制的重要依據(jù)，CuSn8Ni、CuSn6P兩種襯套內(nèi)壁材料的FESEM磨痕形貌分別如圖3（a）、圖3（b）所示。從圖3（a）中可以看出CuSn8Ni內(nèi)壁材料磨痕形貌較為粗糙，存在大量“犁溝”狀劃痕，這表明該種材料的摩損機(jī)制屬于典型的磨粒磨損（磨料磨損），即在摩擦磨損過程中合金材料中質(zhì)地較硬的氧化物或其它硬質(zhì)離子脫落形成磨粒，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦條件下這些脫落的磨粒在基體上劃出了一道道溝狀結(jié)構(gòu)組織。從圖3（a2）中可以證實(shí)，在磨痕區(qū)域存在大量脫落的磨粒，它們?cè)趬毫ψ饔孟略诨w上磨出一道道“犁溝”。圖3（b）是CuSn6P襯套內(nèi)壁材料的磨痕形貌，磨痕形貌相對(duì)較為光滑細(xì)膩，其磨痕上出現(xiàn)了金屬滑動(dòng)粘著現(xiàn)象，存在較為嚴(yán)重的塑性變形結(jié)構(gòu)，從圖3（b2）中還可以看出在磨痕區(qū)域內(nèi)有片狀物質(zhì)被剝離下來，由此可得知該種材料的磨損機(jī)制屬于粘著磨損（咬合磨損）。粘著磨損是金屬材料在壓力的作用下發(fā)生局部粘著，并緊緊的涂抹在磨痕軌跡上，造成襯層表面材料發(fā)生擦傷及磨損。

此外，研究表明在同樣的摩擦磨損試驗(yàn)條件下，磨痕寬度較小的材料具有更好的耐摩擦磨損性能[10-11]。在圖3（a）中襯套內(nèi)壁材料的磨痕寬度為1042μm，而在同樣條件圖3（b）襯套內(nèi)壁材料的磨痕寬度僅為889μm，這同樣可以證明圖3（b）的CuSn6P合金內(nèi)壁材料具有更好的耐摩擦磨損性能。

為進(jìn)一步探究和分析兩種材料的摩擦磨損機(jī)制，分別對(duì)兩種材料的未磨區(qū)域及磨痕處分別進(jìn)行EDS元素面分布掃描。對(duì)于CuSn6P三金屬層結(jié)構(gòu)襯套內(nèi)壁材料的未磨區(qū)域來說，其最內(nèi)層為金屬Sn鍍層，其中鍍層中Sn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量達(dá)到了96.67%，銅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.33%，經(jīng)過摩擦磨損試驗(yàn)后，Sn鍍層被完全破壞，呈現(xiàn)出的是CuSn6P基體材料，其磨痕上EDS元素面分布較為均勻，未發(fā)生元素聚集等現(xiàn)象。而對(duì)于CuSn8Ni雙金屬結(jié)構(gòu)襯套內(nèi)壁材料來說，其未磨區(qū)域經(jīng)及磨痕上的EDS元素面分布圖譜掃描結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

由圖4未磨區(qū)域的EDS面分布圖譜得知，磨損前CuSn8Ni襯層表面區(qū)域上的Cu、Sn、Ni等元素分布均勻，沒有出現(xiàn)元素聚集區(qū)域，且O元素含量較低。經(jīng)過摩擦磨損試驗(yàn)后，其磨痕上EDS面分布圖譜如圖5所示，出現(xiàn)了Cu和Sn元素含量明顯降低的區(qū)域，而在該區(qū)域出現(xiàn)了O元素的大量聚集，Ni元素未發(fā)生明顯的變化。在整個(gè)區(qū)域的氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由未磨區(qū)域的0.78%上升到6.39%，這表明在摩擦磨損過程中內(nèi)壁材料在摩擦產(chǎn)生高溫的條件下發(fā)生了氧化，產(chǎn)生了顆粒狀的氧化物，該類氧化物及其它脫落的硬質(zhì)離子在襯套材料基體上磨出溝狀組織，加快了磨損的發(fā)生。

3? 總結(jié)

本文經(jīng)過對(duì)兩種不同連桿小頭襯套內(nèi)壁材料的摩擦性能對(duì)比分析，得出CuSn8Ni襯套內(nèi)壁材料發(fā)生磨損時(shí)其磨痕出現(xiàn)了犁溝狀的形貌，其磨損機(jī)制屬于磨粒磨損的，通過對(duì)其摩擦系數(shù)和磨損量測(cè)量，得出其平均摩擦系數(shù)為0.5023，磨損量為1.50mg。而對(duì)于CuSn6P襯套內(nèi)壁材料來說，其磨痕上出現(xiàn)了粘著狀的變形組織，屬于粘著磨損的磨損機(jī)制，其平均摩擦系數(shù)為0.3824，磨損量為0.60mg，僅為CuSn8Ni襯套內(nèi)壁材料磨損量的40%，且其平均摩擦系數(shù)也小于CuSn8Ni內(nèi)壁材料的摩擦系數(shù)，以上數(shù)據(jù)表明CuSn6P襯套內(nèi)壁材料具有更好的耐摩擦磨損性能。雖然CuSn6P內(nèi)壁材料的襯套具有較好的耐摩擦磨損性能，但該襯套需要在最內(nèi)層鍍上較薄的錫層，制造工藝相對(duì)復(fù)雜且生產(chǎn)成本較高。通過對(duì)連桿襯套內(nèi)壁材料的耐摩擦磨損性能研究對(duì)于提高連桿襯套使用壽命、促進(jìn)汽配產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀勝，原霞，郭代峰，等.激光微造型連桿襯套表面的摩擦磨損性能研究[J].熱加工工藝，2017（08）：141-144.

[2]樊文欣，王連宏，楊瓊瑤，等.基于分形理論的連桿襯套表面形貌表征[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（05）：81-84.

[3]董雪飛.柴油機(jī)連桿襯套磨損試驗(yàn)研究[D].中北大學(xué)，2011.

[4]Jiang Z， Mao Z， Zhang Y， et al. A Study on Dynamic Response and Diagnosis Method of the Wear on Connecting Rod Bush[J]. Journal of Failure Analysis & Prevention， 2017， 17（1–2）：812-822.

[5]王雪，趙俊生，孟宏偉，等.柴油機(jī)連桿襯套磨損的正交試驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2017，042（009）：76-80，97.

[6]李鵬.代替CuSn10Pb10的無鉛銅基襯套材料[J].汽車工藝與材料，2014，04：12-15.

[7]魏滿暉，向建華.連桿小頭襯套材料工藝及試驗(yàn)評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展[J].柴油機(jī)，2019，43（03）：49-54.

[8]Ya.N.Oteny， E.V. Morozova， V.F. Kazak.Increasing Wear-resistance of Connectings Rod Bushing Supporting Surfaces in Crank Mechanisms[C]. Aviamechanical engineering and transport" （AVENT 2018）.

[9]孔為，樊文欣，孔維靜.錫青銅CuSn8P鍛造態(tài)連桿襯套反旋的尺寸精度優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2019，44（10）：78-81.

[10]Wang Y， Cao D， Gao W， etal. Microstructure and properties of sol-enhanced Co-P-TiO2 nano-composite coatings[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2019， 792：617-625.

[11]He Z ， Cao D， Qiao Y， et al. Cobalt–phosphorus–titanium oxide nanocomposite coatings： structures， properties， and corrosions studies[J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2019， 30（10）.