不同潤(rùn)滑油缸套涂層摩擦磨損性能研究

李世永 龔軍振 張春明 王思陽(yáng) 帥明軒

摘要：為了研究不同型號(hào)潤(rùn)滑油對(duì)有無(wú)涂層缸套摩擦磨損性能的影響，采用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行樣塊試驗(yàn)，對(duì)DLC活塞環(huán)與有無(wú)涂層缸套及5W-30和10W-40潤(rùn)滑油進(jìn)行配對(duì)對(duì)比試驗(yàn)，并通過(guò)掃描電鏡觀察其磨損后的缸套表面形貌。結(jié)果表明：5W-30和10W-40有涂層的樣塊平均摩擦系數(shù)分別為0.065 01和0.11，無(wú)涂層的樣塊平均摩擦系數(shù)為0.078 46和0.116；5W-30和10W-40有涂層的樣塊平均磨損量分別為0.317 μm和0.274 μm，無(wú)涂層的樣塊平均磨損量為1.688 μm和1.861 μm。結(jié)論：在相同試驗(yàn)條件下，有涂層樣塊的摩擦系數(shù)小于無(wú)涂層樣塊的摩擦系數(shù)，磨損量遠(yuǎn)小于無(wú)涂層區(qū)域的磨損量；在相同試驗(yàn)條件下，使用5W-30潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)小于使用10W-40的摩擦系數(shù)；涂層樣塊使用5W-30潤(rùn)滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量；無(wú)涂層樣塊使用5W-30潤(rùn)滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量；有無(wú)涂層對(duì)磨損量的影響很大，不同粘度的潤(rùn)滑油對(duì)摩擦系數(shù)的影響很大，但是不同粘度的潤(rùn)滑油對(duì)磨損量的影響較小。

關(guān)鍵詞：DLC活塞環(huán)；涂層；潤(rùn)滑油；氣缸套；摩擦磨損

中圖分類號(hào)：TK421? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）17-0080-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.022

0? ? 引言

活塞環(huán)—缸套摩擦副作為柴油機(jī)重要的摩擦副之一，其摩擦磨損性能對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性和使用壽命有著較大影響。隨著柴油機(jī)對(duì)性能要求的提高，改善活塞環(huán)—缸套的摩擦磨損性能引起了廣大學(xué)者的關(guān)注[1-4]。

涂層是用一定的工藝方法，均勻噴涂在基體表面的保護(hù)膜層，對(duì)基體耐磨性的提高有著重要意義。葉子波等人[5]研究了金屬涂層缸套的耐磨性能，發(fā)現(xiàn)Cr3C2噴涂缸套在200 N載荷下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的增加呈階梯式減小。李斌等人[6]發(fā)現(xiàn)松孔鍍鉻活塞環(huán)摩擦系數(shù)和磨損量比鍍硬鉻低3.96%、53.18%。李柏強(qiáng)等人[7]發(fā)現(xiàn)WC-12Co涂層Q235碳鋼缸套具有優(yōu)良的耐磨性能，比KmTBCr8白口鑄鐵缸套摩擦系數(shù)要低。熊春華等人[8]通過(guò)潤(rùn)滑計(jì)算模型，確定了適用于活塞環(huán)—缸套的潤(rùn)滑油粘度指標(biāo)。瞿磊等人[9]通過(guò)在潤(rùn)滑油中添加MoS2發(fā)現(xiàn)0.1%的MoS2有效降低了缸套摩擦系數(shù)和磨損量，并且摩擦副表面也沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，明顯改善了活塞環(huán)—缸套的摩擦磨損性能。

綜上所述，通過(guò)表面處理工藝和改善潤(rùn)滑條件來(lái)提高活塞環(huán)—缸套摩擦磨損性能是可行的，并且具有更大的發(fā)展和應(yīng)用潛力。因此，本研究通過(guò)一系列試驗(yàn)，在不同潤(rùn)滑狀態(tài)下研究了DLC涂層對(duì)缸套的摩擦系數(shù)、磨損量的影響，并通過(guò)掃描電鏡觀察磨損形貌。結(jié)果表明，涂層對(duì)缸套磨損量的影響很大，不同粘度的潤(rùn)滑油對(duì)摩擦系數(shù)影響也大，但是不同粘度的潤(rùn)滑油對(duì)磨損量的影響較小。

1? ? 試驗(yàn)材料及方法

1.1? ? 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用合金鋼活塞環(huán)，取6份長(zhǎng)度為8 mm的樣塊，其取樣部位示意圖如圖1所示。

試驗(yàn)采用DLC涂層鑄鐵氣缸套，涂層為DLC，分別在有無(wú)涂層區(qū)域取6份15 mm×43 mm的樣塊，取樣部位示意圖如圖2所示。缸套表面原始形貌如圖3（a）（b）所示，由圖可以看出有涂層的樣塊表面有許多凹坑，這是涂層的噴涂孔隙，有利于存儲(chǔ)潤(rùn)滑油。

5W-30和10W-40潤(rùn)滑油為市場(chǎng)通用潤(rùn)滑油。

1.2? ? 試驗(yàn)方法

采用UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)，載荷為400 N，行程為15 mm，頻率16.67 Hz，溫度120 ℃，摩擦4 h，選擇5W-30和10W-40兩種潤(rùn)滑油，滴油速度為0.1 mL/min。為減小試驗(yàn)誤差，分別進(jìn)行3次試驗(yàn)對(duì)其求平均值，試驗(yàn)方案如表1所示。

試驗(yàn)裝置為UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，如圖4所示。

試驗(yàn)流程如圖5所示，每次試驗(yàn)結(jié)束后，將樣塊放入超聲清洗機(jī)中清洗15 min，清洗介質(zhì)為酒精。采用三維形貌儀NPFLEX測(cè)量磨痕寬度、深度，采用掃描電鏡（SUPRATM55）對(duì)試驗(yàn)后的樣塊磨損表面形貌進(jìn)行觀察。

2? ? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1? ? 摩擦系數(shù)和磨損量

表2、表3顯示了使用不同型號(hào)的潤(rùn)滑油時(shí)樣塊的摩擦系數(shù)和磨損量的試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)表2、表3繪制對(duì)比圖形，如圖6所示。結(jié)合表2、表3及圖6可以看出，使用5W-30潤(rùn)滑油時(shí)，無(wú)涂層樣塊的平均摩擦系數(shù)為0.078 46，有涂層樣塊的平均摩擦系數(shù)為0.065 01，降低了17%；無(wú)涂層樣塊的平均磨損量為1.688 μm，有涂層樣塊的平均磨損量為0.317 μm，降低了81%。使用10W-40潤(rùn)滑油時(shí)，無(wú)涂層樣塊的平均摩擦系數(shù)為0.116，有涂層樣塊的平均摩擦系數(shù)為0.11，降低了5%；無(wú)涂層樣塊的平均磨損量為1.861 μm，有涂層樣塊的平均磨損量為0.274 μm，降低了85%。同時(shí)也可以看出，使用5W-30潤(rùn)滑油的樣塊摩擦系數(shù)小于使用10W-40的摩擦系數(shù)，說(shuō)明了樣塊不同粘度的潤(rùn)滑油對(duì)摩擦系數(shù)影響較大。

2.2? ? 磨損表面形貌

圖7為試驗(yàn)后缸套有涂層磨損量數(shù)據(jù)，圖8為試驗(yàn)后缸套無(wú)涂層磨損量數(shù)據(jù)，可以看出圖8中無(wú)涂層樣塊磨痕寬度、深度比較明顯，而圖7中涂層樣塊幾乎沒(méi)有磨損，這說(shuō)明涂層有著較好的微裂紋抵抗能力，有效改善了缸套的耐磨性能。而無(wú)涂層樣塊由于性能較差，受到載荷擠壓時(shí)，磨屑會(huì)擠到網(wǎng)紋中產(chǎn)生堆積，被當(dāng)作磨料，增大了活塞環(huán)與缸套的接觸面積，也致使摩擦系數(shù)增大。同時(shí)也可以看出，涂層樣塊使用5W-30潤(rùn)滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量，無(wú)涂層樣塊使用5W-30潤(rùn)滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量，說(shuō)明了樣塊有無(wú)涂層對(duì)磨損量的影響很大，但是不同粘度的潤(rùn)滑油對(duì)磨損量的影響較小。

圖9（a）（b）顯示了在120 ℃、潤(rùn)滑條件下缸套樣塊的磨損形貌。受到400 N載荷時(shí)，樣塊大部分表面被磨平，這是由于在摩擦過(guò)程中脫落的涂層被擠壓嵌入到網(wǎng)紋和凹坑中，使?jié)櫥筒辉倬奂?，在摩擦副表面形成均勻的油膜，從而降低了摩擦系?shù)，減小了磨損量。而無(wú)涂層的樣塊性能較差，在摩擦?xí)r缸套表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋，隨著磨損時(shí)間加長(zhǎng)，微裂紋足夠大時(shí)，就會(huì)造成部分硬質(zhì)相脫落作為磨粒，進(jìn)一步加劇了缸套的磨損，因此在缸套表面出現(xiàn)了沿運(yùn)動(dòng)方向的劃痕，進(jìn)一步增加了缸套的磨損量，主要表現(xiàn)為磨粒磨損。試驗(yàn)不是在封閉環(huán)境中進(jìn)行的，因此在油膜不均勻的地方可能存在氧化磨損。

3? ? 結(jié)論

本文對(duì)不同潤(rùn)滑條件下有無(wú)涂層缸套進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)后采用掃描電鏡等對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較得到如下結(jié)論：

（1）在相同試驗(yàn)條件下，與DLC活塞環(huán)匹配，有涂層缸套樣塊摩擦系數(shù)小于無(wú)涂層缸套樣塊，有涂層樣塊的磨損量遠(yuǎn)小于無(wú)涂層區(qū)域的磨損量。

（2）在相同試驗(yàn)條件下，使用5W-30潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)小于使用10W-40的摩擦系數(shù)。

（3）在相同試驗(yàn)條件下，涂層樣塊使用5W-30潤(rùn)滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量。

（4）在相同試驗(yàn)條件下，無(wú)涂層樣塊使用5W-30潤(rùn)滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量。

（5）有無(wú)涂層對(duì)磨損量的影響很大，不同粘度的潤(rùn)滑油對(duì)摩擦系數(shù)的影響很大，但是不同粘度的潤(rùn)滑油對(duì)磨損量的影響較小。

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收稿日期：2023-05-12

作者簡(jiǎn)介：李世永（1987—），男，山東人，工程師，研究方向：內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)。

通信作者：龔軍振（1989—），男，河南項(xiàng)城人，工程師，研究方向：內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)。