表面處理對(duì)活塞環(huán)摩擦磨損性能影響的試驗(yàn)研究

謝緯安，瞿磊，王忠，蔣安

(1.南通職業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.上汽大通汽車有限公司，上海 200438)

摩擦現(xiàn)象普遍存在，摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械失效的主要原因之一。在內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械損失中，活塞、活塞環(huán)及缸套間摩擦損失占比最大，這三者之間的磨損會(huì)引起潤(rùn)滑、密封及表面擦傷等問題，從而影響內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率[1]。內(nèi)燃機(jī)正向低油耗、大升功率、低排放方向發(fā)展，這使得活塞環(huán)與缸套間摩擦磨損增大[2]。因此，如何降低活塞環(huán)與缸套的摩擦磨損是眾多學(xué)者關(guān)注的研究方向。

通過對(duì)活塞環(huán)、缸套進(jìn)行表面處理來改善其摩擦磨損性能是解決上述問題的有效途徑之一，表面處理的具體方式可分為改性、涂覆和復(fù)合處理三類。摩擦性能改善的機(jī)理主要涉及3個(gè)方面[3]：一是提高表面硬度以減少磨料磨損，在活塞環(huán)工作表面上形成一種硬質(zhì)金屬層，提高其耐磨性；二是改善表面的儲(chǔ)油能力從而減少熔著磨損，在活塞環(huán)表面添加能儲(chǔ)存機(jī)油的表面覆層防止高溫下的干摩擦；三是加快活塞環(huán)的磨合階段，即添加適當(dāng)軟度的易磨損物質(zhì)，與氣缸相接觸加速磨損，縮短磨合期。

根據(jù)上述表面處理方式和機(jī)理，著重從鍍鉻和物理氣相沉積(PVD)處理兩方面展開敘述。電鍍鉻表面的硬度高且耐蝕性好，相比普通缸套，鍍鉻缸套的使用壽命能夠延長(zhǎng)50%[4]。松孔鍍鉻能夠在工件表面獲得網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)，質(zhì)量更輕且有利于內(nèi)燃機(jī)儲(chǔ)油潤(rùn)滑，從而提高使用壽命[5]。在鍍鉻表面的性能研究方面，漆世則等[6]對(duì)球墨鑄鐵活塞環(huán)進(jìn)行了鍍鉻、噴鉬和陶瓷復(fù)合鍍鉻處理，并進(jìn)行摩擦學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：鍍鉻后活塞環(huán)表面硬度提高，噴鉬處理能降低摩擦系數(shù)，陶瓷復(fù)合鍍鉻使活塞環(huán)表面存在陶瓷微孔隙和顆粒，提高耐磨性。陶瓷復(fù)合鍍鉻活塞環(huán)的磨損量?jī)H為噴鉬環(huán)的 0.02%。此外還可以制備出各類復(fù)合鍍鉻涂層，從而在不同的潤(rùn)滑及載荷條件下，增強(qiáng)缸套與活塞環(huán)表面摩擦學(xué)性能。如Soares等[7]使用納米立方氮化硼對(duì)常規(guī)鍍鉻層進(jìn)行強(qiáng)化，使摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低20%，同時(shí)活塞環(huán)和缸套磨損量也明顯減少。

目前已有的CrN，DLC等典型的PVD薄膜具有優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性和抗氧化性等優(yōu)勢(shì)，被應(yīng)用于活塞環(huán)和缸套的摩擦表面。CrN的PVD薄膜還能有效改善鑄鐵缸套表面油膜失效問題[8]。PVD涂層也常用于活塞環(huán)表面強(qiáng)化，Bruno等[9]對(duì)比研究了幾種常見活塞環(huán)涂層配對(duì)副的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)PVD(CrN)活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)和磨損量最低。PVD-WCN薄膜能使表面硬度提高近30倍，磨損量降低為無涂層的1/90[10]。Lin等[11]采用等離子增強(qiáng)磁控濺射技術(shù)在摩擦表面上制備TiSiCN涂層，使活塞環(huán)和缸套的磨損量分別降低29%和50%。趙晚成等[12]通過PVD處理在活塞環(huán)基體上沉積了厚約30 μm的CrN涂層，并對(duì)有涂層和沒有涂層的活塞環(huán)進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明CrN涂層活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)較穩(wěn)定，且數(shù)值較低；CrN涂層提高了活塞環(huán)表面硬度，減小了摩擦系數(shù)，與之配合的缸套磨損量減少了80%以上。

從以上分析可以看出，鍍鉻和PVD處理改善表面摩擦性能的方法多樣，已有文獻(xiàn)對(duì)這些方法及改進(jìn)效果進(jìn)行了研究分析，但對(duì)于相同工況下不同表面處理方法之間的優(yōu)劣比較仍不夠完善。因此，本研究通過對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行鍍鉻和PVD處理，對(duì)未處理表面、鍍鉻表面以及PVD表面的活塞環(huán)和高硼銅鑄鐵缸套配對(duì)副的摩擦學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果從摩擦系數(shù)大小及穩(wěn)定性，摩擦表面形貌及磨損量?jī)煞矫嬷攸c(diǎn)分析表面處理的摩擦學(xué)特征。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 表面處理設(shè)備及工藝

試驗(yàn)所用活塞環(huán)試樣為錐面環(huán)，直徑為114 mm，表面粗糙度小于等于1.9 μm?；钊h(huán)材料為合金鑄鐵，與活塞環(huán)配合的缸套材料為高硼銅鑄鐵，缸套外徑為106 mm，內(nèi)徑為96 mm，表面粗糙度小于等于1.9 μm。試驗(yàn)中對(duì)活塞環(huán)表面采用電鍍鉻和PVD工藝進(jìn)行處理。鍍鉻設(shè)備主要有鍍槽系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)、閉路回收系統(tǒng)、抽風(fēng)除霧系統(tǒng)、自動(dòng)控制等。物理氣相沉積設(shè)備內(nèi)的真空度為2×10-3Pa，烘烤溫度為300 ℃。

鍍鉻處理后活塞環(huán)在表面形成厚度為0.12 mm的硬鉻，金屬鉻硬度比鑄鐵高3.6倍，比熱處理后的鑄鐵高2.5倍。用顯微硬度計(jì)檢測(cè)其外圓表面硬度，結(jié)果見表1?；钊h(huán)鍍鉻層及表面形貌見圖1。鍍鉻層屬于光澤鉻層，其顯微組織可能出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，網(wǎng)紋能改善鍍層的耐磨性。活塞環(huán)鍍鉻后具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低、熔點(diǎn)高、耐腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)小、高溫下不容易產(chǎn)生剝落等優(yōu)點(diǎn)。

表1 鍍鉻環(huán)工作表面硬度檢測(cè)結(jié)果

圖1 活塞環(huán)鍍鉻層及鍍鉻后表面

PVD處理后在活塞環(huán)表面形成厚度為5 μm的CrN鍍層，用顯微硬度計(jì)測(cè)量外圓工作面硬度，結(jié)果見表2，相比鍍鉻，PVD處理可以使表面獲得更高的硬度。PVD處理后活塞環(huán)PVD層及表面見圖2。PVD表面有較大的殘余壓應(yīng)力，工作時(shí)能夠抵消摩擦?xí)r產(chǎn)生的拉應(yīng)力，具有耐磨、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。電子衍射測(cè)試表明，PVD處理能夠減少磨粒磨損和防止摩擦表面的黏著磨損。

表2 合金鑄鐵PVD環(huán)工作表面硬度檢測(cè)結(jié)果

圖2 活塞環(huán)PVD層及PVD處理后表面

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)裝置及方案

采用圓盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(見圖3a)對(duì)不同表面的活塞環(huán)與缸套的摩擦學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為室溫，載荷200 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，試驗(yàn)時(shí)間60 min，潤(rùn)滑油為CH-4，端面跳動(dòng)小于0.05 mm。為了均勻潤(rùn)滑，采用離心力原理讓潤(rùn)滑油在活塞環(huán)與缸套接觸面上均勻分布。

圖3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和輪廓儀

試驗(yàn)中用金屬桿將活塞環(huán)試樣固定在缸套試樣上方，通過在金屬桿一端加力給摩擦副傳遞載荷，載荷大小在10～4 200 N內(nèi)可調(diào)。試驗(yàn)中通過電機(jī)帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速在10～700 r/min內(nèi)可調(diào)，用活塞環(huán)與缸套之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬柴油機(jī)實(shí)際工作時(shí)的摩擦現(xiàn)象，用壓力傳感器采集摩擦力信號(hào)，得到摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。磨損量測(cè)試采用CV-3100輪廓儀(見圖3b)，通過測(cè)量缸套、活塞環(huán)試樣磨損前與磨損后摩擦表面沿法向的輪廓尺寸變化量，計(jì)算得到缸套、活塞環(huán)試樣在磨損過程中的磨損體積。該設(shè)備優(yōu)點(diǎn)在于能測(cè)出微小磨損量以及同一磨痕中不同位置磨損量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦系數(shù)特征分析

未經(jīng)表面處理活塞環(huán)試樣配對(duì)副摩擦系數(shù)的變化見圖4。由圖4可知，摩擦系數(shù)呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。在前5 min摩擦系數(shù)較大，波動(dòng)較??；在5～15 min摩擦系數(shù)明顯下降，波動(dòng)有所增強(qiáng)；在15～35 min摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定；在35～60 min區(qū)間摩擦系數(shù)的波動(dòng)幅度明顯增強(qiáng)，摩擦較為劇烈。

摩擦系數(shù)曲線的變化過程表現(xiàn)為磨合磨損到穩(wěn)定磨損再到劇烈磨損的過程。磨損初期經(jīng)歷了將凸起粗糙峰磨平的磨合磨損，該過程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使活塞環(huán)和缸套表面被磨平滑，表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)，接觸面積越來越大，直到符合載荷的平衡尺寸。由于整個(gè)接觸面產(chǎn)生了塑性流動(dòng)，在載荷下達(dá)到了加強(qiáng)界面的效果。磨合磨損完成后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，穩(wěn)定磨損階段后，磨損劇烈增加，機(jī)械效率急劇降低，最終導(dǎo)致活塞環(huán)失效。

對(duì)4片鍍鉻活塞環(huán)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，其中一個(gè)試樣環(huán)配對(duì)副的摩擦系數(shù)曲線見圖5。從圖5可以看出，鍍鉻活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)在整個(gè)試驗(yàn)過程中變化較為穩(wěn)定，不同于未處理表面配對(duì)副。在前3 min摩擦系數(shù)的波動(dòng)最大，在3～15 min摩擦系數(shù)在0.033左右波動(dòng)，振幅有所下降，在15～20 min摩擦系數(shù)經(jīng)歷了一個(gè)小幅度的降低，此后活塞環(huán)進(jìn)入了穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)在0.027左右波動(dòng)，且有持續(xù)降低的趨勢(shì)。

圖5 鍍鉻活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)曲線

對(duì)4片PVD活塞環(huán)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，其中一個(gè)試樣配對(duì)副的摩擦系數(shù)曲線見圖6。從圖6可以看出，PVD活塞環(huán)在整個(gè)試驗(yàn)過程中穩(wěn)定性非常好。在1～10 min摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，表現(xiàn)出了磨合磨損的特征；在10～60 min區(qū)間摩擦系數(shù)十分穩(wěn)定，在0.025左右產(chǎn)生振幅不大的波動(dòng)。由此看出，相比鍍鉻活塞環(huán)，PVD活塞環(huán)表現(xiàn)出了更好的穩(wěn)定性，具有磨合時(shí)間更短的優(yōu)勢(shì)。

圖6 PVD活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)的變化曲線

上述試驗(yàn)結(jié)果展示了不同表面活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化特征，表3列出不同表面活塞環(huán)配對(duì)副的4組平均摩擦系數(shù)。由表3可以看出，未表面處理活塞環(huán)配對(duì)副的平均摩擦系數(shù)要明顯高于鍍鉻活塞環(huán)和PVD活塞環(huán)。未表面處理活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)都大于0.05，鍍鉻活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)約為0.028，PVD活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦系數(shù)較鍍鉻活塞環(huán)進(jìn)一步減小，在0.021左右。

表3 不同表面活塞環(huán)配對(duì)副的4組平均摩擦系數(shù)

表現(xiàn)出上述特征的原因?yàn)椋何幢砻嫣幚砘钊h(huán)表面粗糙，微凸起較多，經(jīng)磨損產(chǎn)生較多磨粒分布于摩擦表面，使得摩擦系數(shù)較大的同時(shí)產(chǎn)生明顯波動(dòng)；鍍鉻層結(jié)構(gòu)致密、硬度較高，使得在磨合階段鍍鉻活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)較小且變化相對(duì)穩(wěn)定；鍍鉻活塞環(huán)表面光潔、耐熔著磨損性好且高溫下不容易產(chǎn)生剝落，因此在穩(wěn)定磨損階段摩擦系數(shù)穩(wěn)定性好，數(shù)值小于未表面處理活塞環(huán)。PVD活塞環(huán)表面的硬度在3種表面中最高，且具有一定的自潤(rùn)性，能有效阻止缸套表面硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)活塞環(huán)涂層的劃傷。因此PVD活塞環(huán)在短暫的磨合階段后就處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。相比鍍鉻處理，PVD處理使活塞環(huán)與缸套配對(duì)副的摩擦系數(shù)進(jìn)一步減小，穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。

2.2 摩擦表面形貌特征及磨損量分析

圖7至圖9分別示出未處理表面、鍍鉻表面和PVD表面的活塞環(huán)及高硼銅鑄鐵缸套摩擦表面形貌特征。未表面處理活塞環(huán)磨損表現(xiàn)為磨粒磨損的特性，表面出現(xiàn)了深淺不一的劃痕，缸套表現(xiàn)出了相似的摩擦特征。與未表面處理活塞環(huán)相比，鍍鉻活塞環(huán)表面更加光滑，初始溝壑幾乎被磨平，磨損機(jī)制為拋光磨損；但與之配合的缸套磨損機(jī)制為疲勞磨損，磨損表面沿滑動(dòng)方向有明顯的塑性流動(dòng)，磨痕內(nèi)有塑性變形裂紋，變形區(qū)域形成塊狀脫落之后粘附在缸套表面。而PVD活塞環(huán)摩擦表面的磨損機(jī)制主要為塑性變形，磨損主要表現(xiàn)為粗糙的表面變光滑，沒有明顯的滑動(dòng)溝槽，但與活塞環(huán)配合的缸套表面在塑性變形區(qū)出現(xiàn)少量的小塊材料剝落。

圖7 未處理表面活塞環(huán)(左)及缸套(右)表面形貌

圖8 鍍鉻活塞環(huán)(左)及缸套(右)表面形貌

圖9 PVD活塞環(huán)(左)及缸套(右)表面形貌

不同表面活塞環(huán)及缸套之間的磨損量試驗(yàn)結(jié)果見表4。未表面處理活塞環(huán)環(huán)體磨損量在1.65×10-10mm3左右，與之配合的缸套磨損量在5.8×10-10mm3左右。鍍鉻活塞環(huán)環(huán)體的磨損量為6.5×10-11mm3左右，明顯小于未表面處理的活塞環(huán)，但與之配合的缸套的磨損量卻增大，在8.8×10-10mm3左右。由此得出鍍鉻能夠降低摩擦系數(shù)，增加穩(wěn)定性，但縮短了與之配合的缸套的壽命。PVD活塞環(huán)環(huán)體磨損量為5.8×10-11mm3左右，與之配合的缸套磨損量為4.1×10-10mm3左右，相對(duì)于鍍鉻活塞環(huán)磨損量略有降低，缸套磨損量低于鍍鉻活塞環(huán)配合缸套磨損量的一半，PVD處理在磨損量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表4 不同表面活塞環(huán)及缸套的4組試樣磨損量 mm3

未表面處理活塞環(huán)表面凸起的粗糙峰較多，基體金屬的硬度較低。隨著摩擦進(jìn)程產(chǎn)生大量磨粒，形成磨粒磨損，磨粒嵌入磨擦表面后使磨擦表面出現(xiàn)較深的溝槽，因此磨損量大。鍍鉻活塞環(huán)表面產(chǎn)生的磨粒數(shù)目減少，磨粒對(duì)活塞環(huán)表面的磨損減輕，所以鍍鉻活塞環(huán)表面在試驗(yàn)后更光滑；硬鉻表面儲(chǔ)油效果較差且硬度大于缸套硬度，易造成缸套表面材料脫落。因此，鍍鉻處理能降低活塞環(huán)的磨損量，但會(huì)提高與之配合的缸套磨損量，應(yīng)選擇表面儲(chǔ)油較好材料與鍍鉻活塞環(huán)配合。PVD表面的殘余壓應(yīng)力能抵消摩擦?xí)r產(chǎn)生的拉應(yīng)力，穩(wěn)定性和硬度高，摩擦過程中只有極少磨粒產(chǎn)生。隨著摩擦進(jìn)程，活塞環(huán)表面產(chǎn)生熔化層形成二次保護(hù)。與鍍鉻活塞環(huán)類似，PVD活塞環(huán)表面硬度大于缸套表面硬度，但PVD活塞環(huán)產(chǎn)生的熔化層也保護(hù)了缸套表面，缸套表面只出現(xiàn)了少量的材料剝落。因此，PVD處理在提高活塞環(huán)摩擦磨損性能時(shí)，也提高了與之配合缸套的摩擦磨損性能。

3 結(jié)論

a) 在摩擦系數(shù)方面，未表面處理活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化明顯，鍍鉻活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦系數(shù)比未經(jīng)處理表面穩(wěn)定，僅在磨合磨損階段出現(xiàn)了一定的波動(dòng)；PVD活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦系數(shù)最穩(wěn)定，磨合時(shí)間更短；未經(jīng)處理表面的平均摩擦系數(shù)大于0.05，鍍鉻活塞環(huán)配對(duì)副摩擦系數(shù)降低到0.028左右，PVD活塞環(huán)配對(duì)副的摩擦系數(shù)進(jìn)一步減小為0.021左右；

b) 在摩擦表面形貌和磨損量方面，未表面處理活塞環(huán)的磨損呈現(xiàn)出磨粒磨損的特性，表面出現(xiàn)深淺不一的劃痕，鍍鉻活塞環(huán)表面相對(duì)光滑，磨損機(jī)制為拋光磨損，PVD活塞環(huán)表面的磨損機(jī)制主要為塑性變形；未表面處理活塞環(huán)與缸套的磨損量均較大，鍍鉻活塞環(huán)的磨損量明顯減小，但配合缸套磨損量急劇增大，PVD處理在進(jìn)一步減小活塞環(huán)磨損量的同時(shí)，缸套磨損量也較小；

c) 在本試驗(yàn)研究中，PVD處理后的活塞環(huán)與缸套配合，表現(xiàn)出了最佳的摩擦學(xué)性能，摩擦系數(shù)變化穩(wěn)定，摩擦表面形貌光滑，磨損量最小。