謝緯安，瞿磊，王忠，蔣安

(1.南通職業(yè)大學汽車與交通工程學院，江蘇 南通 226007；2.江蘇大學汽車與交通工程學院，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，摩擦導致的磨損是機械失效的主要原因之一。在內(nèi)燃機的機械損失中，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引起潤滑、密封及表面擦傷等問題，從而影響內(nèi)燃機的機械效率[1]。內(nèi)燃機正向低油耗、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者關注的研究方向。

通過對活塞環(huán)、缸套進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、涂覆和復合處理三類。摩擦性能改善的機理主要涉及3個方面[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；二是改善表面的儲油能力從而減少熔著磨損，在活塞環(huán)表面添加能儲存機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)燃機儲油潤滑，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]對球墨鑄鐵活塞環(huán)進行了鍍鉻、噴鉬和陶瓷復合鍍鉻處理，并進行摩擦學性能試驗。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。陶瓷復合鍍鉻活塞環(huán)的磨損量僅為噴鉬環(huán)的 0.02%。此外還可以制備出各類復合鍍鉻涂層，從而在不同的潤滑及載荷條件下，增強缸套與活塞環(huán)表面摩擦學性能。如Soares等[7]使用納米立方氮化硼對常規(guī)鍍鉻層進行強化，使摩擦系數(shù)進一步降低20%，同時活塞環(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，被應用于活塞環(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)表面強化，Bruno等[9]對比研究了幾種常見活塞環(huán)涂層配對副的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)PVD(CrN)活塞環(huán)配對副摩擦系數(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]采用等離子增強磁控濺射技術在摩擦表面上制備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，并對有涂層和沒有涂層的活塞環(huán)進行了摩擦磨損試驗，結(jié)果表明CrN涂層活塞環(huán)配對副摩擦系數(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，已有文獻對這些方法及改進效果進行了研究分析，但對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，本研究通過對活塞環(huán)進行鍍鉻和PVD處理，對未處理表面、鍍鉻表面以及PVD表面的活塞環(huán)和高硼銅鑄鐵缸套配對副的摩擦學性能進行試驗，根據(jù)試驗結(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兩方面重點分析表面處理的摩擦學特征。

1 試驗裝置與方法

1.1 表面處理設備及工藝

試驗所用活塞環(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。活塞環(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。試驗中對活塞環(huán)表面采用電鍍鉻和PVD工藝進行處理。鍍鉻設備主要有鍍槽系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)、閉路回收系統(tǒng)、抽風除霧系統(tǒng)、自動控制等。物理氣相沉積設備內(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。用顯微硬度計檢測其外圓表面硬度，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?；钊h(huán)鍍鉻后具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低、熔點高、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。

表1 鍍鉻環(huán)工作表面硬度檢測結(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，用顯微硬度計測量外圓工作面硬度，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力，工作時能夠抵消摩擦時產(chǎn)生的拉應力，具有耐磨、耐高溫、化學性能穩(wěn)定的特點。電子衍射測試表明，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 摩擦磨損試驗裝置及方案

采用圓盤式摩擦磨損試驗機(見圖3a)對不同表面的活塞環(huán)與缸套的摩擦學性能進行試驗。試驗條件為室溫，載荷200 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，試驗時間60 min，潤滑油為CH-4，端面跳動小于0.05 mm。為了均勻潤滑，采用離心力原理讓潤滑油在活塞環(huán)與缸套接觸面上均勻分布。

圖3 摩擦磨損試驗機和輪廓儀

試驗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)。試驗中通過電機帶動圓盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速在10～700 r/min內(nèi)可調(diào)，用活塞環(huán)與缸套之間的相對運動模擬柴油機實際工作時的摩擦現(xiàn)象，用壓力傳感器采集摩擦力信號，得到摩擦系數(shù)隨時間變化的數(shù)據(jù)。磨損量測試采用CV-3100輪廓儀(見圖3b)，通過測量缸套、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，計算得到缸套、活塞環(huán)試樣在磨損過程中的磨損體積。該設備優(yōu)點在于能測出微小磨損量以及同一磨痕中不同位置磨損量。

2 試驗結(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)呈波動下降的趨勢。在前5 min摩擦系數(shù)較大，波動較??；在5～15 min摩擦系數(shù)明顯下降，波動有所增強；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)的波動幅度明顯增強，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，該過程中的相對運動使活塞環(huán)和缸套表面被磨平滑，表面產(chǎn)生塑性流動，接觸面積越來越大，直到符合載荷的平衡尺寸。由于整個接觸面產(chǎn)生了塑性流動，在載荷下達到了加強界面的效果。磨合磨損完成后進入穩(wěn)定磨損階段，穩(wěn)定磨損階段后，磨損劇烈增加，機械效率急劇降低，最終導致活塞環(huán)失效。

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

圖5 鍍鉻活塞環(huán)配對副摩擦系數(shù)曲線

對4片PVD活塞環(huán)試樣進行試驗，其中一個試樣配對副的摩擦系數(shù)曲線見圖6。從圖6可以看出，PVD活塞環(huán)在整個試驗過程中穩(wěn)定性非常好。在1～10 min摩擦系數(shù)波動較大，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。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，具有磨合時間更短的優(yōu)勢。

圖6 PVD活塞環(huán)配對副摩擦系數(shù)的變化曲線

上述試驗結(jié)果展示了不同表面活塞環(huán)配對副摩擦系數(shù)隨時間的變化特征，表3列出不同表面活塞環(huán)配對副的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)配對副摩擦系數(shù)都大于0.05，鍍鉻活塞環(huán)配對副摩擦系數(shù)約為0.028，PVD活塞環(huán)配對副的摩擦系數(shù)較鍍鉻活塞環(huán)進一步減小，在0.021左右。

表3 不同表面活塞環(huán)配對副的4組平均摩擦系數(shù)

表現(xiàn)出上述特征的原因為：未表面處理活塞環(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)較大的同時產(chǎn)生明顯波動；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)配對副摩擦系數(shù)較小且變化相對穩(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，且具有一定的自潤性，能有效阻止缸套表面硬質(zhì)點對活塞環(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)與缸套配對副的摩擦系數(shù)進一步減小，穩(wěn)定性進一步提高。

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，磨損機制為拋光磨損；但與之配合的缸套磨損機制為疲勞磨損，磨損表面沿滑動方向有明顯的塑性流動，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。

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，磨粒對活塞環(huán)表面的磨損減輕，所以鍍鉻活塞環(huán)表面在試驗后更光滑；硬鉻表面儲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，但會提高與之配合的缸套磨損量，應選擇表面儲油較好材料與鍍鉻活塞環(huán)配合。PVD表面的殘余壓應力能抵消摩擦時產(chǎn)生的拉應力，穩(wěn)定性和硬度高，摩擦過程中只有極少磨粒產(chǎn)生。隨著摩擦進程，活塞環(huán)表面產(chǎn)生熔化層形成二次保護。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，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)配對副的摩擦系數(shù)隨時間變化明顯，鍍鉻活塞環(huán)配對副的摩擦系數(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；PVD活塞環(huán)配對副的摩擦系數(shù)最穩(wěn)定，磨合時間更短；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)配對副摩擦系數(shù)降低到0.028左右，PVD活塞環(huán)配對副的摩擦系數(shù)進一步減小為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)表面相對光滑，磨損機制為拋光磨損，PVD活塞環(huán)表面的磨損機制主要為塑性變形；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處理在進一步減小活塞環(huán)磨損量的同時，缸套磨損量也較小；

c) 在本試驗研究中，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。