孫長飛 李更天 馬春生
(1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院輪機電氣與智能工程學院 江蘇南京 211170;2.大連捷華船舶科技有限公司 遼寧大連 116113;3.大連海事大學輪機工程學院 遼寧大連 116026)
柴油機作為船舶的核心部件,其能源效率對船舶節(jié)能具有重要意義[1-2]。為提高柴油機的能源效率,提高缸內(nèi)平均有效壓力是常見的方法[3]。在較高的平均有效壓力下,缸內(nèi)活塞會承受更高的機械和熱載荷。特別是對于中高速柴油機,活塞裙承受很高的側(cè)推力和磨損。
高硅鋁合金因其質(zhì)量輕、導熱性好、熱膨脹系數(shù)低,是制造活塞的常用材料。該鋁合金通常用于制造中高速柴油機的柴油機活塞[4]。然而,鋁合金的耐磨性能較弱。為提高鋁合金活塞的耐用性,學者們嘗試了多種表面技術(shù),如表面織構(gòu)處理[5],激光表面合金化[6-8],機械浸漬[9],攪拌摩擦加工(FSP)[10],電沉積[11-12]等。目前,這些表面技術(shù)已取得一些進展。但是,大部分涂層與基體的結(jié)合方式是化學鍵、分子鍵和機械嵌合,不適合活塞高溫重載的工作條件。
微弧氧化技術(shù)一種閥金屬的表面處理技術(shù),可在Al、Mg、Ti、Zr、Ta、Nb等金屬及其合金表面得到與基體呈冶金結(jié)合的陶瓷層[13],所制備的微弧氧化陶瓷涂層具有良好的抗磨損性能,但陶瓷涂層的表面硬度遠高于缸套的表面硬度。因此,僅依靠微弧氧化技術(shù)對活塞裙部進行表面處理會使得制造氣缸套的成本大大增加。為解決硬度匹配性的問題,有學者創(chuàng)新地將電泳沉積技術(shù)與微弧氧化技術(shù)相復合,制備得到了具有一定自潤滑性能的陶瓷基復合涂層[14-15]。微弧氧化電源電參數(shù)主要包括電壓、頻率、占空比,其中占空比是在一個脈沖循環(huán)內(nèi),通電時間與總時間的比值。占空比的大小決定著單位時間內(nèi)微弧氧化的有效放電時間,對微弧氧化反應形成的陶瓷層表面形貌具有重要的影響。微弧氧化陶瓷層的表面微觀結(jié)構(gòu)在摩擦磨損過程中起到表面織構(gòu)、儲存自潤滑添加劑的作用。所以,微弧氧化陶瓷層表面形貌的調(diào)控對提升復合涂層的摩擦學性能至關(guān)重要,本文作者重點研究微弧氧化電源占空比對陶瓷基自潤滑復合涂層表面微觀結(jié)構(gòu)及摩擦學性能的影響。
在ZL109鋁合金樣品(組成及質(zhì)量分數(shù)為:11%~13% Si,0.5%~1.5% Cu,0.8%~1.3% Mg,0.8%~1.5% Ni,殘余Al。尺寸為:40 mm× 10 mm×10 mm)表面制備陶瓷基自潤滑復合涂層。微弧氧化電源占空比設置為20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%。采用Na2SiO3(4 g/L)、Na2WO3(4 g/L)、KOH (2 g/L)和EDTA-2Na (2 g/L)等化學試劑,加入去離子水中配制微弧氧化電解液。利用丙烯酸陽極電泳漆(10%固體分)、MoS2顆粒(10 g/L,平均尺寸40 nm)和聚乙二醇(與MoS2質(zhì)量比為1∶3)在去離子水中制備電泳沉積電解液。微弧氧化和電泳沉積是通過自主開發(fā)的電源來實現(xiàn),微弧氧化正向電壓為420 V,負向電壓為120 V,電源頻率為500 Hz,電泳沉積電壓為360 V。
陶瓷基自潤滑復合涂層的制備原理是,首先利用微弧氧化技術(shù)在鋁合金基體表面制備得到具有一定孔隙形貌的微弧氧化陶瓷層(即表面織構(gòu)層),進而利用電泳沉積技術(shù)將自潤滑添加劑——MoS2微納米粒子引入陶瓷層的孔隙中,最終得到陶瓷基自潤滑復合涂層。在摩擦磨損的過程中,微弧氧化陶瓷層表面大部分電泳沉積層會在磨合期被磨損掉,而沉積在陶瓷層孔隙中的電泳沉積層會保留在陶瓷層的孔隙中,使得電泳沉積層中的自潤滑添加劑粒子持續(xù)發(fā)揮自潤滑的作用。
陶瓷基自潤滑復合涂層的制備方法是,首先對ZL109鋁合金試樣進行15 min的微弧氧化處理,隨后超聲波清洗60 min,在微弧氧化陶瓷層的基礎(chǔ)上進行電泳沉積處理1 min,最后在175 ℃下烘干30 min,自然冷卻后得到自潤滑復合涂層。
采用TT260型電渦流測厚儀測量涂層的厚度。利用粗糙度測試儀(TR200)測定涂層的表面粗糙度。通過掃描電鏡(SEM,VEGA 3,TESCAN)和能譜儀分析涂層的微觀形貌和化學組成。利用X射線衍射儀(XRD,EMPYREAN)分析涂層的相組成。涂層的摩擦學性能利用自行研制的往復式摩擦磨損試驗機在室溫環(huán)境及干摩擦、油潤滑條件下進行測試,加載力為20 N,摩擦磨損時間為30 min。該試驗機包括電源控制箱、主實驗臺、拉壓傳感器、壓力傳感器、小型放大器、測量計算機、電荷放大器、采集卡以及輸入輸出線等主要設備。
主實驗臺包含上夾具和下夾具,下夾具通過連桿和電機轉(zhuǎn)軸相連并實現(xiàn)往復移動,試驗機的往復速度為60 r/min,即往復周期為1 s。上夾具和傳感器連接,可以采集到對摩件之間的摩擦力,并將之反饋到數(shù)據(jù)采集卡中。濾波后,計算機顯示屏顯示出摩擦力。儀器手輪可調(diào)節(jié)加載力,并通過與上夾具相連的傳感器反饋到數(shù)據(jù)顯示器中。上夾具還裝有滑油供給裝置,可調(diào)節(jié)油供給量。使用 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集卡實時采集摩擦力數(shù)據(jù),采樣頻率為1 000次/s。主實驗臺示意圖如圖1所示。
圖1 主實驗臺示意
部分占空比制備得到的微弧氧化陶瓷層表面形貌如圖2所示??梢钥闯?,制備得到的微弧氧化陶瓷層表面呈現(xiàn)典型的火山口形貌;在占空比較低時,表面孔隙尺寸較小,當占空比較高時,表面孔隙尺寸較大。較大的孔隙尺寸有利于沉積復合涂層,提高涂層表面MoS2微納米粒子的含量,進而提高其摩擦學性能?;鹕娇谛蚊蔡卣髦饕晌⒒》烹娡ǖ佬纬?,若陶瓷層厚度較大,則擊穿更困難,從而形成的放電通道尺寸較大。然而,當占空比升高到一定值時,受電源電壓和頻率等參數(shù)的限制,陶瓷層生長到一定的厚度便不能被擊穿;同時,較高的占空比會使得涂層生長速度過快,微弧氧化反應過于劇烈,進而會與電解液的腐蝕作用協(xié)同將外部涂層破壞,所以當占空比升高到一定值后陶瓷層厚度減小,表面孔隙尺寸減小,缺陷增多(圖2(d)所示)。
圖2 部分微弧氧化陶瓷層表面形貌
微弧氧化陶瓷層和自潤滑復合涂層的表面粗糙度如圖3所示。陶瓷層表面粗糙度亦受到陶瓷層擊穿難易程度、微弧氧化反應劇烈程度等因素的影響。當占空比升高,陶瓷層厚度增加,擊穿難度提高,形成的放電通道尺寸也會相應增加,進而導致陶瓷層的表面粗糙度變大。
圖3 微弧氧化陶瓷層和陶瓷基自潤滑復合涂層表面粗糙度
不同占空比條件下,制備的各陶瓷基自潤滑復合涂層的橫截面形貌如圖4所示,各涂層厚度如圖5所示。
如圖4和圖5所示,當占空比較低時,微弧氧化陶瓷層的厚度較薄,經(jīng)電泳沉積處理后,電泳沉積電壓將陶瓷層完全擊穿,故占空比20%和30%得到陶瓷基自潤滑復合涂層中的陶瓷層幾乎完全消失。所得到的電泳沉積層只能沉積在鋁合金基體表面,結(jié)合狀態(tài)較差,不適合活塞的表面強化處理。當占空比較高時,可形成結(jié)合狀態(tài)較好的陶瓷基自潤滑復合涂層,如圖4所示。盡管此時自潤滑添加劑——二硫化鉬粒子易被電泳沉積層帶入涂層表面,但占空比過大在陶瓷層表面形成的缺陷會使復合涂層易脫落,抗重載能力降低,故占空比過大亦不適合鋁合金活塞的表面強化處理。
圖4 陶瓷基自潤滑復合涂層橫截面形貌
圖5 微弧氧化陶瓷層和陶瓷基自潤滑復合涂層厚度
當占空比為60%和70%時,陶瓷基自潤滑復合涂層與鋁合金基體結(jié)合緊密,無明顯缺陷,微弧氧化陶瓷層表面也存在一定數(shù)量和尺寸的孔隙。占空比60%所制備得到的陶瓷基自潤滑復合涂層表面形貌如圖6所示。占空比60%制備得到的微弧氧化陶瓷層和自潤滑復合涂層相組成分析結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖7相組成分析結(jié)果和EDS分析結(jié)果,可得到圖6中的白點為自潤滑添加劑——MoS2微納米粒子。
圖6 占空比60%得到的自潤滑復合涂層表面形貌 圖7 占空比60%制備得到的微弧氧化陶瓷層和自潤滑復合涂層相組成
為研究陶瓷基自潤滑復合涂層的抗磨損、自潤滑性能,選擇干摩擦和油潤滑2種工況進行往復式摩擦磨損試驗。對照組為鋁合金基體,摩擦因數(shù)如圖8所示。
圖8 陶瓷基自潤滑復合涂層干摩擦和油潤滑下的摩擦因數(shù)
如圖8所示,無論是在干摩擦還是油潤滑條件下,陶瓷基自潤滑復合涂層較鋁合金基體的摩擦因數(shù)均明顯降低。占空比20%、30%得到的復合涂層與基體結(jié)合狀態(tài)較差(見圖4(a)(b)),摩擦磨損過程中涂層易脫落(如圖9(a)(b)所示),故其摩擦因數(shù)與基體接近。占空比為40%和50%得到的陶瓷層厚度較大,表面粗糙度較高,陶瓷層致密性較差,故所得到的自潤滑復合涂層亦容易在摩擦磨損中被破壞(如圖9(c)(d)所示),故其摩擦因數(shù)降幅不大。占空比60%和70%得到的復合涂層結(jié)合狀態(tài)較好,在摩擦磨損實驗中未被破壞(如圖9(e)(f)所示),自潤滑性能良好,因此其摩擦因數(shù)最低,在干摩擦狀態(tài)下約為0.3,在油摩擦狀態(tài)下約為0.21。占空比為80%時陶瓷層厚度減小,表面孔隙尺寸減小,缺陷增多,故所得到的自潤滑復合涂層也容易在摩擦磨損中被破壞(如圖9(g)所示),故其摩擦因數(shù)也較大。
圖9 不同占空比下陶瓷基自潤滑復合涂層磨損后表面形貌
與鋁合金基體對磨的氣缸套試樣和與占空比60%制備的自潤滑復合涂層對磨的氣缸套試樣表面微觀形貌如圖10所示。如圖10(a)所示,與鋁合金基體對磨的氣缸套試樣表面呈現(xiàn)明顯的黏著磨損痕跡,出現(xiàn)大面積的涂抹擦傷。如圖10(b)所示,與占空比60%獲得的自潤滑復合涂層對磨的氣缸套試樣表面形貌在摩擦磨損后未發(fā)生明顯變化,氣缸套表面的初始形貌依然清晰可見。如圖9(e)的局部放大圖所示,在摩擦磨損后陶瓷層表面多余的電泳沉積層已被損耗,而沉積在陶瓷層孔隙中的電泳沉積層未被磨損掉,且通過自潤滑添加劑(MoS2)發(fā)揮著減摩的作用。因此,占空比60%~70%制備得到的陶瓷基自潤滑復合涂層具備較好的摩擦學性能。
圖10 氣缸套試樣摩擦磨損后表面形貌
(1)隨占空比的提高,微弧氧化陶瓷層的厚度、表面粗糙度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢,占空比50%時陶瓷層厚度和表面粗糙度達到最大值。在占空比較低時,表面孔隙尺寸較?。划斦伎毡容^高時,表面孔隙尺寸較大,但當占空比達80%時,表面孔隙尺寸減小。受陶瓷層微觀形貌和成膜質(zhì)量的影響,陶瓷層自潤滑復合涂層的結(jié)合強度差別較大,在占空比為60%~70%時,復合涂層結(jié)合狀態(tài)較好。
(2)相對于鋁合金基體,微弧氧化-電泳沉積復合技術(shù)制備的陶瓷基復合涂層減摩效果顯著。隨占空比的提高,復合涂層的摩擦因數(shù)先減小后增大,占空比為60%~70%得到的復合涂層摩擦因數(shù)最低,在干摩擦狀態(tài)下約為0.3,在油摩擦狀態(tài)下約為0.21,且該復合涂層在摩擦磨損過程未發(fā)生脫落,減摩自潤滑性能較突出。