引言
活塞環(huán)—缸套摩擦副作為柴油機重要的摩擦副之一,其摩擦磨損性能對柴油機的動力性和使用壽命有著較大影響。隨著柴油機對性能要求的提高,改善活塞環(huán)—缸套的摩擦磨損性能引起了廣大學者的關注[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膜層,對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)隨時間的增加呈階梯式減小。李減等人[6]發(fā)現(xiàn)松孔鍍銘活塞環(huán)摩擦系數(shù)和磨損量比鍍硬銘低3.96%、53.18%。李柏強等人[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]通過潤滑計算模型,確定了適用于活塞環(huán)—缸套的潤滑油粘度指標。霍聶等人[9]通過在潤滑油中添加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,通過表面處理工藝和改善潤滑條件來提高活塞環(huán)—缸套摩擦磨損性能是可行的,并且具有更大的發(fā)展和應用潛力。因此,本研究通過一系列試驗,在不同潤滑狀態(tài)下研究了DLC涂層對缸套的摩擦系數(shù)、磨損量的影響,并通過掃描電鏡觀察磨損形貌。結果表明,涂層對缸套磨損量的影響很大,不同粘度的潤滑油對摩擦系數(shù)影響也大,但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。
1試驗材料及方法
1.1試驗材料
試驗采用合金鋼活塞環(huán),取6份長度為8 mm的樣塊,其取樣部位示意圖如圖1所示。
試驗采用DLC涂層鑄鐵氣缸套,涂層為DLC,分別在有無涂層區(qū)域取6份15 mmX43 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,有利于存儲潤滑油。
5W-30和10W-40潤滑油為市場通用潤滑油。
1.2試驗方法
采用UMT-3摩擦磨損試驗機進行往復式摩擦磨損試驗,載荷為400 N,行程為15 mm,頻率16.67 Hz,溫度120節(jié),摩擦4 h,選擇5W—30和10W—40兩種潤滑油,滴油速度為0.1 mL/min。為減小試驗誤差,分別進行3次試驗對其求平均值,試驗方案如表1所示。
試驗裝置為UMT—3摩擦磨損試驗機,如圖4所示。
試驗流程如圖5所示,每次試驗結束后,將樣塊放入超聲清洗機中清洗15 min,清洗介質為酒精。采用三維形貌儀NPFLEX測量磨痕寬度、深度,采用掃描電鏡(SUPRATM55)對試驗后的樣塊磨損表面形貌進行觀察。
2試驗結果與分析
2.1摩擦系數(shù)和磨損量
表2、表3顯示了使用不同型號的潤滑油時樣塊的摩擦系數(shù)和磨損量的試驗結果。
根據(jù)表2、表3繪制對比圖形,如圖6所示。結合表2、表3及圖6可以看出,使用5W—30潤滑油時,無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%;無涂層樣塊的平均磨損量為1.688μm,有涂層樣塊的平均磨損量為0.317μm,降低了81%。使用10W—40潤滑油時,無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%;無涂層樣塊的平均磨損量為1.861μm,有涂層樣塊的平均磨損量為0.274μm,降低了85%。同時也可以看出,使用5W—30潤滑油的樣塊摩擦系數(shù)小于使用10W—40的摩擦系數(shù),說明了樣塊不同粘度的潤滑油對摩擦系數(shù)影響較大。
2.2磨損表面形貌
圖7為試驗后缸套有涂層磨損量數(shù)據(jù),圖8為試驗后缸套無涂層磨損量數(shù)據(jù),可以看出圖8中無涂層樣塊磨痕寬度、深度比較明顯,而圖7中涂層樣塊幾乎沒有磨損,這說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。而無涂層樣塊由于性能較差,受到載荷擠壓時,磨屑會擠到網(wǎng)紋中產生堆積,被當作磨料,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。同時也可以看出,涂層樣塊使用5W—30潤滑油的磨損量略大于使用10W—40的磨損量,無涂層樣塊使用5W—30潤滑油的磨損量略小于使用10W—40的磨損量,說明了樣塊有無涂層對磨損量的影響很大,但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。
圖9(a)(b)顯示了在120節(jié)、潤滑條件下缸套樣塊的磨損形貌。受到400 N載荷時,樣塊大部分表面被磨平,這是由于在摩擦過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。而無涂層的樣塊性能較差,在摩擦時缸套表面會產生微裂紋,隨著磨損時間加長,微裂紋足夠大時,就會造成部分硬質相脫落作為磨粒,進一步加劇了缸套的磨損,因此在缸套表面出現(xiàn)了沿運動方向的劃痕,進一步增加了缸套的磨損量,主要表現(xiàn)為磨粒磨損。試驗不是在封閉環(huán)境中進行的,因此在油膜不均勻的地方可能存在氧化磨損。
3結論
本文對不同潤滑條件下有無涂層缸套進行了摩擦磨損試驗,試驗后采用掃描電鏡等對試驗數(shù)據(jù)進行測量,通過對試驗數(shù)據(jù)的分析比較得到如下結論:
(1)在相同試驗條件下,與DLC活塞環(huán)匹配,有涂層缸套樣塊摩擦系數(shù)小于無涂層缸套樣塊,有涂層樣塊的磨損量遠小于無涂層區(qū)域的磨損量。
(2)在相同試驗條件下,使用5W—30潤滑油的摩擦系數(shù)小于使用10W—40的摩擦系數(shù)。
(3)在相同試驗條件下,涂層樣塊使用5W—30潤滑油的磨損量略大于使用10W—40的磨損量。
(4)在相同試驗條件下,無涂層樣塊使用5W—30潤滑油的磨損量略小于使用10W—40的磨損量。
(5)有無涂層對磨損量的影響很大,不同粘度的潤滑油對摩擦系數(shù)的影響很大,但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。