活塞環(huán)表面MoS2 薄膜在干摩擦和貧油潤滑條件下的摩擦學(xué)性能研究

李 楠， 車銀輝， 王銘昌

(蘇州熱工研究院有限公司， 廣東 深圳 518000)

0 前 言

柴油機(jī)是交通運輸、工程機(jī)械、國防裝備和核電應(yīng)急發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域的主要動力設(shè)備。 近年來，大功率、長沖程和高爆發(fā)壓柴油機(jī)成為行業(yè)爭相研究的重點目標(biāo)[1，2]。 活塞環(huán)-缸套運動副作為柴油機(jī)中最為重要的摩擦副之一，其摩擦穩(wěn)定性直接影響整個柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、耐用性和壽命，然而隨著柴油機(jī)的缸徑增大、沖程變長，潤滑油不能及時補充至活塞環(huán)-缸套摩擦接觸的上下止點處，止點位置在冷/熱啟動時處于貧油甚至干摩擦的不良潤滑狀態(tài)，易造成嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致柴油機(jī)動力性能下降甚至喪失，進(jìn)而造成嚴(yán)重后果。例如，挖掘機(jī)、裝載機(jī)和高壓驅(qū)動銑刨機(jī)用動力柴油機(jī)的活塞環(huán)-缸套在頻繁啟停工況條件下發(fā)生嚴(yán)重磨損成為導(dǎo)致柴油機(jī)停機(jī)的主要原因之一。 福島核電事故的原因之一就是由于應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)無法正常啟動，不能及時為核電廠安全停堆所需的輔助設(shè)備提供應(yīng)急電源，導(dǎo)致堆芯熔毀、輻射釋放等嚴(yán)重后果。 因此改善活塞環(huán)-缸套摩擦副在干摩擦和貧油潤滑條件下的摩擦學(xué)性能，對提高柴油機(jī)的可靠性具有重要的經(jīng)濟(jì)和安全意義[3-6]。

MoS2薄膜在干摩擦和貧油潤滑條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。 Wahl 等[7]研究結(jié)果顯示干摩擦條件下MoS2薄膜在摩擦配副表面形成一層轉(zhuǎn)移膜，隨著摩擦?xí)r間的延長轉(zhuǎn)移膜表現(xiàn)出明顯的MoS2晶體拉曼峰。Singer 等[8]研究了MoS2與不同摩擦副的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)與鋼摩擦副對摩時，MoS2薄膜表現(xiàn)出較高的耐磨性。 Li 等[9]、Zhao 等[10]研究了環(huán)境氣氛對MoS2復(fù)合薄膜摩擦學(xué)性能的影響，并提出了通過控制環(huán)境因素和薄膜組織結(jié)構(gòu)改善MoS2薄膜摩擦學(xué)性能的策略。

本工作以表面制備了Cr+Al2O3陶瓷復(fù)合鍍層的活塞環(huán)(CKS)為基底材料，利用非平衡磁控濺射技術(shù)在其表面制備了MoS2薄膜，在干摩擦、常溫貧油潤滑和高溫貧油潤滑條件下研究了沉積MoS2薄膜后活塞環(huán)-缸套的摩擦學(xué)性能，通過分析活塞環(huán)和缸套的磨損形貌、缸套表面轉(zhuǎn)移膜的成分和結(jié)構(gòu)研究了摩擦磨損機(jī)制，對MoS2薄膜在柴油機(jī)活塞環(huán)表面的應(yīng)用提供了一定的參考。

1 試 驗

1.1 活塞環(huán)表面MoS2薄膜的制備及微觀結(jié)構(gòu)表征

利用非平衡磁控濺射設(shè)備濺射二硫化鉬靶材(純度99.99%)，在CKS 活塞環(huán)表面制備MoS2薄膜[11]。 依次用石油醚、丙酮和無水乙醇將活塞環(huán)超聲清洗15 min，去除表面油脂等污染物。 將清洗、干燥后的活塞環(huán)固定在專用支架上并推入非平衡磁控濺射設(shè)備的真空腔體內(nèi)。 在真空低于3×10-3Pa 條件下，用Ar 離子濺射清洗活塞環(huán)表面進(jìn)一步去除污染物。 設(shè)置基底偏壓-70 V 和Cr 靶電流3.0 A，在活塞環(huán)表面沉積5 min得到Cr 過渡層，以提高M(jìn)oS2薄膜與基底結(jié)合力。 接著保持偏壓不變，在二硫化鉬靶材電流為2 A 條件下沉積4 h 在活塞環(huán)表面制備MoS2薄膜。

利用JSM-6701F 場發(fā)射電子掃描顯微鏡(FESEM)觀察制備薄膜的厚度和截面形貌；利用TTX-NHT2 納米壓痕儀測量活塞環(huán)表面MoS2薄膜的硬度和彈性模量，壓入載荷為5 mN，加載速度和卸載速度均為10 mN/min，保載時間10 s。 通過Empyrean 型X 射線衍射儀(XRD)分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，Cu Kα ＝0.154 187 nm，測量角度范圍為10°～90°。 由RST3 劃痕儀測定MoS2薄膜與活塞環(huán)結(jié)合力，最大加載載荷為50 N，加載速率為49.5 N/min，劃痕長度為5 mm，通過Axio Lab.A1光學(xué)顯微鏡觀察薄膜與基底的結(jié)合情況。

1.2 活塞環(huán)-缸套摩擦副摩擦學(xué)性能測試方法

采用SRV-IV 微動摩擦磨損試驗機(jī)模擬評價在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油3 種工況下活塞環(huán)-缸套摩擦副的摩擦學(xué)性能，測試參數(shù)如表1 所示，所有測試均在相同條件下進(jìn)行3 次。

表1 活塞環(huán)-缸套3 種模擬工況試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters of piston ring-cylinder liner under three simulated working conditions

活塞環(huán)-缸套摩擦測試的裝配形式如圖1 所示，摩擦上試樣為CKS 活塞環(huán)樣品和附加MoS2薄膜的活塞環(huán)樣品，下試樣為片狀石墨鑄鐵缸套材料。 從缸套表面形貌及輪廓(圖2)可以看出，缸套表面加工了珩磨網(wǎng)紋，粗糙度Ra為(1.56±0.12) μm，硬度為(450.73±51.46) HV。 摩擦用潤滑油為殼牌S340 柴油機(jī)專用潤滑油，其黏度系數(shù)為101，40 ℃和100 ℃運動黏度分別為139.0 mm2/s 和14.4 mm2/s。 采用Alpha-step D-100探針輪廓儀測量磨痕截面輪廓，通過積分計算得到磨痕輪廓積分面積，再乘以運行振幅得到磨損體積V。 對應(yīng)磨損率K的計算公式如下:

圖1 活塞環(huán)-缸套裝夾形式Fig.1 Piston ring - cylinder set clip form

圖2 缸套表面形貌及輪廓Fig.2 Cylinder liner surface topography and profile

其中，S為滑動總距離，F(xiàn)為加載載荷。 通過JSM -6701F 型SEM、Quantax 型能譜儀(EDS)和Lab RAMHR Evolution 型拉曼光譜儀表征缸套磨損形貌和成分變化情況，分析活塞環(huán)-缸套摩擦副在模擬工況條件下的減摩耐磨機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 活塞環(huán)表面MoS2薄膜的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

采用SEM 觀察了MoS2薄膜截面和表面形貌見圖3。 由圖3a 截面形貌可知，MoS2薄膜表現(xiàn)出輕微柱狀生長特征，總厚度約為2.7 μm，Cr 過渡層約為0.3 μm，金屬Cr 過渡層既起到緩解薄膜與基底力學(xué)性能失配的作用，也有助于增加薄膜和基底結(jié)合力。 MoS2薄膜表面形貌為致密的“菜花狀”微小凸起，如圖3b 所示，這主要源自磁控濺射過程中等離子體的堆垛作用[12]。

圖3 MoS2薄膜截面與表面形貌Fig.3 Cross-sectional and surface SEM image of MoS2 film

圖4 為MoS2薄膜XRD 譜，其中2θ在13°左右出現(xiàn)的衍射峰對應(yīng)于MoS2的(002)晶面，而2θ在33°和59°左右出現(xiàn)的衍射峰分別對應(yīng)于MoS2的(100)和(110)晶面[13，14]。 磁控濺射沉積到基底的粒子有著較高的能量，引起薄膜沿[100]和[110]方向擇優(yōu)生長，峰強度較高。

圖4 MoS2薄膜XRD 譜Fig.4 XRD spectra of MoS2 film

MoS2薄膜的硬度和彈性模量分別為(5.8±0.2)GPa 和(101.47±3.29) GPa，壓入和卸載曲線如圖5所示。

圖5 MoS2薄膜的壓入/卸載曲線Fig.5 Press/unload curve of MoS2 film

圖6 為MoS2薄膜結(jié)合力劃痕形貌。 隨著劃痕儀壓頭壓力的增加，MoS2薄膜表面劃痕深度和寬度逐步增加，當(dāng)載荷約21 N 時，MoS2薄膜完全從基底材料上剝落。

圖6 活塞環(huán)表面MoS2薄膜劃痕形貌Fig.6 The scratch morphology of MoS2 film on piston ring surface

2.2 活塞環(huán)表面MoS2薄膜在模擬工況下的摩擦學(xué)性能

圖7 是CKS 活塞環(huán)-缸套、表面沉積MoS2薄膜活塞環(huán)-缸套的摩擦系數(shù)曲線。 從圖7a 可以看出干摩擦條件下CKS 活塞環(huán)-缸套摩擦系數(shù)較高，且在一定的范圍內(nèi)波動，這主要是由于摩擦過程中CKS 活塞環(huán)表面與缸套材料直接接觸，沉積MoS2薄膜后活塞環(huán)-缸套摩擦系數(shù)大幅降低，從1.07 降至0.11，且較平穩(wěn)。 從圖7b 可以看出常溫貧油條件下CKS 活塞環(huán)-缸套摩擦系數(shù)在一定的范圍內(nèi)波動，平均摩擦系數(shù)為0.18，MoS2薄膜活塞環(huán)-缸套摩擦系數(shù)為0.11，且比較平穩(wěn)。 從圖7c可以看出高溫貧油條件下CKS 活塞環(huán)-缸套摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定，摩擦系數(shù)為0.12，這是由于在高溫條件下潤滑油黏度降低， 流動性增強， 可以及時地補充到活塞環(huán)-缸套摩擦副的接觸界面之間保持潤滑性能[15，16]，MoS2薄膜活塞環(huán)-缸套摩擦系數(shù)較平穩(wěn)，降低至0.08，此時潤滑油和MoS2薄膜發(fā)揮了協(xié)同潤滑作用。

圖7 模擬工況條件下活塞環(huán)-缸套摩擦系數(shù)曲線Fig.7 Friction coefficient of piston ring-cylinder under simulated working conditions

圖8 是CKS 活塞環(huán)、表面沉積MoS2薄膜活塞環(huán)和對摩缸套的磨損率。 可以看出，在干摩擦和常溫貧油潤滑條件下，沉積MoS2薄膜后活塞環(huán)表面磨損率較CKS 活塞環(huán)降低了1 個數(shù)量級以上；在高溫貧油潤滑條件下，沉積MoS2薄膜后活塞環(huán)表面磨損率也有一定程度的降低。 圖8b 可以看出干摩擦條件下，與CKS 活塞環(huán)對摩缸套相比， 沉積MoS2薄膜后活塞環(huán)對摩缸套的磨損率降低2 個數(shù)量級，從8.61×10-6mm3/(N·m)降至3.71×10-8mm3/(N·m)；在常溫貧油條件下，與CKS 活塞環(huán)對摩缸套相比，MoS2薄膜活塞環(huán)對摩缸套的磨損率從1.43×10-7mm3/(N·m)降低至3.22×10-8mm3/(N·m)。 這主要是由于沉積的MoS2薄膜能有效補償貧油條件下摩擦接觸界面潤滑不足的問題，從而在常溫貧油條件下表現(xiàn)出減摩耐磨的性能。 在高溫貧油條件下，與CKS 活塞環(huán)對摩缸套相比，MoS2薄膜活塞環(huán)對摩缸套磨損率從7.08×10-8mm3/(N·m)降低至1.12×10-8mm3/(N·m)。 綜上所述，在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油條件下，活塞環(huán)表面沉積MoS2薄膜能大幅降低對摩缸套的磨損率。

圖8 模擬工況條件下，活塞環(huán)和對摩缸套磨損率Fig.8 Wear rate of piston ring and cylinder liner under simulated working conditions

2.3 活塞環(huán)表面MoS2薄膜減摩耐磨機(jī)制

圖9 為CKS 活塞環(huán)在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油條件下的磨損形貌。 從圖9a 可以看出，在干摩擦條件下，CKS 活塞環(huán)表面出現(xiàn)大量的材料剝落與轉(zhuǎn)移，部分區(qū)域發(fā)生熔焊現(xiàn)象，磨損形式為嚴(yán)重的黏著磨損。從圖9b 和圖9c 中可以看出，在常溫貧油和高溫貧油潤滑條件下，CKS 活塞環(huán)磨損表面出現(xiàn)了少量的塑性變形和材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。 圖10 為MoS2薄膜活塞環(huán)在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油條件下的磨損形貌。 從圖10a 和圖10b 可以看出，在干摩擦和常溫潤滑條件下，MoS2薄膜活塞環(huán)磨損表面光滑，僅有輕微的劃痕。 從圖10c 中可以看出，在高溫貧油條件下MoS2薄膜活塞環(huán)磨損表面光滑。 活塞環(huán)表面的MoS2薄膜在干摩擦和貧油潤滑條件下發(fā)揮了有效的潤滑作用。

圖9 CKS 活塞環(huán)磨損形貌Fig.9 Wear morphology of CKS piston ring

圖11 為CKS 活塞環(huán)對摩缸套材料在干摩擦、常溫 貧油和高溫貧油條件下的磨損形貌。 從圖11a 可以看出，在干摩擦條件下，由于CKS 活塞環(huán)與缸套材料直接接觸導(dǎo)致缸套表面出現(xiàn)了大量的材料剝落、轉(zhuǎn)移、熔焊和堆積磨屑，缸套表面原始的珩磨紋已經(jīng)消失，磨損形式為嚴(yán)重的黏著磨損和磨粒磨損。 從圖11b 中可以看出，缸套磨損表面存在少量的材料剝落和轉(zhuǎn)移，這主要是由于在常溫貧油條件下摩擦接觸面間形成不連續(xù)的潤滑油膜，活塞環(huán)與缸套局部直接接觸形成的黏著磨損。 從圖11c 中可以看出，在高溫貧油條件下缸套磨損表面存在輕微的材料剝落與轉(zhuǎn)移，這主要是由于高溫條件下潤滑油黏度降低能及時地補充至活塞環(huán)-缸套摩擦接觸面間，彌補了潤滑油膜的缺失，進(jìn)一步減輕了黏著磨損。 圖12 為MoS2薄膜活塞環(huán)對摩缸套材料在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油條件下的磨損形貌。從圖12a 可以看出，在干摩擦條件下MoS2薄膜活塞環(huán)對摩缸套表面的珩磨紋依然清晰可見，珩磨紋中有比較細(xì)小的磨屑，缸套材料的黏著磨損大幅降低。 從圖12b 中可以看出，常溫貧油條件下缸套磨損表面與原始缸套表面相近，珩磨紋狀態(tài)未發(fā)生明顯改變，這主要是由于活塞環(huán)表面的MoS2薄膜發(fā)揮固體潤滑劑的作用，能彌補摩擦接觸面間潤滑油的缺失，進(jìn)而減弱了缸套的磨損。 從圖12c 中可以看出，在高溫貧油條件下缸套磨損表面與常溫貧油條件下缸套的磨損表面相似，表面平整，珩磨紋明顯，活塞環(huán)表面的MoS2薄膜和潤滑油發(fā)揮的固液協(xié)同潤滑作用降低了缸套材料的磨損。

圖12 MoS2薄膜活塞環(huán)對摩缸套磨損形貌Fig.12 Wear morphology of grinding cylinder liner against MoS2 film piston ring

利用EDS 分析了MoS2薄膜活塞環(huán)對摩缸套表面的成分。 從圖13a 可以看出，缸套表面珩磨紋間的平面位置有大量的Mo 和S 元素，說明在干摩擦條件下活塞環(huán)表面的MoS2薄膜轉(zhuǎn)移到了缸套表面形成了具有減摩抗磨作用的轉(zhuǎn)移膜。 從圖13b 和圖13c 中可以看出，在常溫和高溫貧油條件下，缸套表面的珩磨紋內(nèi)有明顯的S 元素富集。 這是由于在貧油摩擦狀態(tài)下活塞環(huán)表面的MoS2薄膜與潤滑油添加劑發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成的無定型復(fù)合轉(zhuǎn)移膜，形成的轉(zhuǎn)移膜在潤滑油的流動作用下富集在珩磨紋內(nèi)。

圖14 為MoS2薄膜活塞環(huán)對摩缸套表面的拉曼光譜。 從圖中可以看出在干摩擦、常溫貧油和高溫貧油條件下拉曼譜圖均在～380 cm-1與～410 cm-1附近出現(xiàn)了對應(yīng)于MoS2層狀單元層內(nèi)E2g和層間A1g振動的特征峰[17]，在526 cm-1和650 cm-1處出現(xiàn)了對應(yīng)于MoS2二級振動的肩峰[18-20]。 這進(jìn)一步表明缸套表面的轉(zhuǎn)移膜主要成分為MoS2。

3 結(jié) 論

(1)利用磁控濺射技術(shù)在大功率柴油機(jī)用活塞環(huán)表面制備了MoS2薄膜，薄膜厚度為2.7 μm，硬度和彈性模量分別為(5.8±0.2) GPa 和(101.47±3.29) GPa，薄膜與基底結(jié)合力為21 N。

(2)相比于CKS 活塞環(huán)，干摩擦、常溫貧油和高溫貧油條件下MoS2薄膜活塞環(huán)-缸套摩擦副的摩擦學(xué)性能大幅提升:干摩擦條件下摩擦系數(shù)從1.07 降至0.11，缸套磨損率從8.61×10-6mm3/(N·m)降低至3.71×10-8mm3/(N·m)；常溫貧油條件下摩擦系數(shù)從0.18降低至0.11，缸套磨損率從1.43×10-7mm3/(N·m)降低至3.22×10-8mm3/(N·m)；在高溫貧油條件下摩擦系數(shù)從0.12 降低至0.08，缸套磨損率從7.08×10-8mm3/(N·m)降低至1.12×10-8mm3/(N·m)。

(3)摩擦過程中缸套表面形成的轉(zhuǎn)移膜是MoS2薄膜活塞環(huán)-缸套摩擦學(xué)性能提升的主要原因，MoS2轉(zhuǎn)移膜和潤滑油的協(xié)同潤滑作用有效減緩了缸套材料的黏著磨損。