樊玉杰,郝夢(mèng)杰,陳俁哲,夏晶,李彬

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

柴油機(jī)具有可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、燃燒效率高和功率輸出大等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑設(shè)備、運(yùn)輸業(yè)以及工業(yè)領(lǐng)域[1-2].但在柴油機(jī)工作中大約12%的總耗散燃料能量是由于發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦,其中40%～45%發(fā)生在缸套和活塞環(huán)之間[3].因此作為柴油機(jī)的核心部件,缸套-活塞會(huì)造成很大的摩擦損失.

表面織構(gòu)技術(shù)具有良好的可控制性和更高的加工效率,其中表面微結(jié)構(gòu)可以減少實(shí)際接觸面積,收集磨損碎片,并作為儲(chǔ)油層供應(yīng)額外的油,能夠提高金屬材料的承載力和耐磨性[4],目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于減小缸套與活塞環(huán)表面的摩擦磨損中.YIN等[5]研究表明,以流體動(dòng)壓潤(rùn)滑為主的低溫油浴條件下,激光織構(gòu)缸套-活塞環(huán)副的平均摩擦系數(shù)比珩磨缸套-活塞環(huán)副平均摩擦系數(shù)降低約18.6%～37.6%.MISHRA等[6]研究了不同潤(rùn)滑方式下表面涂層和織構(gòu)對(duì)活塞環(huán)-缸套接觸摩擦性能的綜合影響,發(fā)現(xiàn)無(wú)論是何種涂層,在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)下,有紋理的活塞環(huán)樣品的摩擦系數(shù)都有小幅減小.KANG等[7]在止點(diǎn)附近區(qū)域和活塞裙部接觸區(qū)域制備了多維激光表面織構(gòu),發(fā)現(xiàn)可以增強(qiáng)缸套-活塞環(huán)套摩擦副的流體動(dòng)力潤(rùn)滑,減少磨損.

液體潤(rùn)滑劑通常在極端條件下會(huì)有一些應(yīng)用限制,為避免液體潤(rùn)滑在極端情況下發(fā)生失效,提出了采用表面微織構(gòu)復(fù)合固體潤(rùn)滑劑的方法,表面微織構(gòu)的有序排列可以補(bǔ)充接觸面潤(rùn)滑劑及捕捉磨損顆粒,從而有效降低接觸面的摩擦磨損[8].SHEN等[9]采用活塞環(huán)往復(fù)襯墊試驗(yàn)臺(tái),對(duì)填充MoS2微織構(gòu)與不填充MoS2微結(jié)構(gòu)的鑄鐵圓柱襯墊進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與微結(jié)構(gòu)圓柱襯墊相比,填充MoS2微紋理的摩擦系數(shù)和磨損深度分別減少8.4%和51.5%.YAO等[10]發(fā)現(xiàn)激光微織構(gòu)表面具有的Ni-MoS2復(fù)合涂層具有更好的摩擦性能,其中,平均摩擦系數(shù)下降了17.65%,磨損體積減小21%,平均磨損軌跡深度減小61%.

目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者大多采用單一的微織構(gòu)改善缸套表面摩擦性能,而通過(guò)采用固體潤(rùn)滑劑與表面織構(gòu)相結(jié)合來(lái)改善缸套-活塞環(huán)摩擦性能的研究相對(duì)較少.因此,文中在缸套流體潤(rùn)滑區(qū)域進(jìn)行表面織構(gòu)與固體潤(rùn)滑劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),探索不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)下缸套表面的摩擦性能、磨損表面質(zhì)量以及磨損機(jī)理,找到最佳的復(fù)合潤(rùn)滑微織構(gòu),進(jìn)一步改善缸套-活塞環(huán)的摩擦性能.

1 試 驗(yàn)

1.1 柴油機(jī)缸套摩擦試驗(yàn)工況

柴油機(jī)缸套表面區(qū)域劃分[11]如圖1所示,柴油機(jī)缸套表面流體潤(rùn)滑區(qū)域位置為6.5～121.1 mm,總長(zhǎng)度為114.6 mm,面積比為91.68%.將在該區(qū)域進(jìn)行復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)改善流體潤(rùn)滑區(qū)域的摩擦性能.

圖1 柴油機(jī)缸套表面區(qū)域劃分示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的YTRC2110D柴油機(jī)工況,可以得到流體潤(rùn)滑柴油機(jī)工況.文獻(xiàn)[11]還給出了不同缸套位置下的平均摩擦系數(shù),流體潤(rùn)滑條件下光滑表面最大摩擦系數(shù)所對(duì)應(yīng)的缸套位置為121.1 mm,平均摩擦系數(shù)為0.051.因此,以缸套光滑表面流體潤(rùn)滑區(qū)域磨損最嚴(yán)重位置的柴油機(jī)工況作為本次摩擦試驗(yàn)工況:滑動(dòng)速度為2.2 m/s,載荷為0.8 MPa,摩擦磨損時(shí)間60 min.

1.2 復(fù)合潤(rùn)滑織構(gòu)制備

為了制備復(fù)合潤(rùn)滑織構(gòu),將填充的復(fù)合固體潤(rùn)滑劑織構(gòu)與未填充的微凹坑織構(gòu)進(jìn)行復(fù)合.其中,固體潤(rùn)滑劑以優(yōu)良的摩擦性能、承載能力和耐磨性能等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于操作環(huán)境惡劣及無(wú)須維護(hù)的場(chǎng)合.它是利用固體潤(rùn)滑顆?；驖?rùn)滑薄膜代替油脂,在摩擦過(guò)程中形成固體潤(rùn)滑薄膜將摩擦界面分開的潤(rùn)滑方式.

MoS2外觀為黑色的固體粉末,熔點(diǎn)為1 185 ℃,化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好.二硫化鉬(MoS2)因其良好的潤(rùn)滑性能成為使用最廣泛的固體潤(rùn)滑劑,它是從輝鉬礦中提取的一種礦物質(zhì),表面呈黑灰略帶藍(lán)色,并且S元素在金屬表面具有很強(qiáng)的黏附力,在摩擦過(guò)程中可以形成固體潤(rùn)滑膜.

試驗(yàn)固體潤(rùn)滑劑的填充過(guò)程中需采用紫外線光固化,光固化設(shè)備型號(hào)為L(zhǎng)XZ919118,圖2為多級(jí)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)制備流程.具體操作步驟如下:

圖2 多級(jí)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)制備

1) 在制備表面織構(gòu)前,采用多級(jí)砂紙進(jìn)行打磨,打磨后用P-2型金相拋光機(jī)拋光至粗糙度小于0.8 μm,表面平面度小于12 μm.最后用去離子水和丙酮清洗,于空氣中自然干燥備用.

2) 試驗(yàn)采用激光器為Nd: YAG激光器,波長(zhǎng)為1 064 nm,脈寬為15 ns,脈沖次數(shù)為1次,激光入射角度90°為垂直入射.使用FB50-1納秒激光器在下試樣表面上刻蝕出正弦溝槽織構(gòu).激光工藝參數(shù):功率20 W,頻率30 kHz,燒蝕次數(shù)5次,并用砂紙清除表面織構(gòu)周圍的熔渣,并在超聲波清洗機(jī)中酒精清洗30 min.

3) 復(fù)合固體潤(rùn)滑劑的填充.第1步,將UV膠和MoS2粉末按照1∶9 的質(zhì)量比混合,涂覆于織構(gòu)表面,并通過(guò)按壓將復(fù)合固體潤(rùn)滑劑填充到織構(gòu)中;第2步,采用紫外線固化燈對(duì)試樣表面進(jìn)行照射固化,時(shí)間為20 min,并以紫外線光固化的填充率衡量填充效果,文中的填充率為97%,能夠滿足試驗(yàn)要求;第3步,照射完成后,用砂紙去除未填充到織構(gòu)中的固體潤(rùn)滑劑.試驗(yàn)采用的MoS2粉末,型號(hào)為JL-MoS2-WO1,平均粒徑為1 μm,純度為99.99%,密度為2.3 g/cm3.試驗(yàn)采用的是瑞士進(jìn)口的ergo8500無(wú)影UV膠.

4) 采用FB50-1納秒激光器在下試樣表面上刻蝕微凹坑點(diǎn)陣.激光工藝參數(shù):功率20 W,頻率30 kHz,燒蝕次數(shù)5次.

1.3 摩擦試驗(yàn)

根據(jù)流體潤(rùn)滑試驗(yàn)工況(摩擦速度為2.2 m/s,載荷為0.8 MPa)在FTM M30多潤(rùn)滑可控潤(rùn)滑摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦試驗(yàn),如圖3所示.本試驗(yàn)采用銷-盤模塊模擬活塞-缸套流體潤(rùn)滑工況,圖4所示為銷-盤試樣示意圖,銷試樣由不銹鋼制成,盤試樣采用球墨鑄鐵.潤(rùn)滑形式為循環(huán)潤(rùn)滑,試驗(yàn)采用油池潤(rùn)滑,潤(rùn)滑油面超過(guò)試樣表面3 mm.試驗(yàn)過(guò)程中采用CD15W-40型柴油機(jī)機(jī)油作為潤(rùn)滑油.摩擦試驗(yàn)環(huán)境溫度20 ℃.

圖3 FTM M30多模塊可控潤(rùn)滑摩擦試驗(yàn)機(jī)

圖4 銷-盤試樣示意圖

流體潤(rùn)滑條件下動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)在接觸界面起主導(dǎo)作用,因此,文中制備了3種不同的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu),如圖5所示.其中,ST為課題組之前設(shè)計(jì)的流體潤(rùn)滑條件下摩擦性能最優(yōu)的橢圓織構(gòu)[11];ST-1為單一圓形微凹坑織構(gòu),微凹坑參數(shù):凹坑直徑為0.3 mm,面積率為20%,凹坑深度為0.06 mm;FS為在圓形微凹坑的基礎(chǔ)上添加不同面積率的正弦填充潤(rùn)滑結(jié)構(gòu),其中正弦織構(gòu)寬度b=0.15 mm,1個(gè)周期正弦織構(gòu)長(zhǎng)度e=2 mm,面積率s=5%,織構(gòu)深度H=0.04 mm.將這些潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)與光滑結(jié)構(gòu)UT分別進(jìn)行摩擦性能的對(duì)比.

圖5 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)示意圖

2 分析與討論

2.1 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)摩擦性能

圖6為流體潤(rùn)滑條件下不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)f隨時(shí)間變化曲線.可以看出,光滑試樣(UT試樣)啟動(dòng)階段摩擦系數(shù)最大,摩擦系數(shù)為0.090 0,磨合10 min后,摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn),最終穩(wěn)定在0.05左右;ST試樣和ST-1試樣啟動(dòng)階段摩擦系數(shù)相對(duì)UT試樣較小,啟動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)分別為0.070 0和0.050 0,磨合6 min后,摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn),最終分別穩(wěn)定在0.038 8和0.038 1左右.而FS試樣摩擦系數(shù)最小,磨合時(shí)間在3 min左右,并且在整個(gè)摩擦過(guò)程中,摩擦系數(shù)處于比較平穩(wěn)的狀態(tài).

圖6 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖7 平均摩擦系數(shù)隨不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的變化曲線

圖8為不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損質(zhì)量mloss變化情況.從圖中可以看出,UT試樣的磨損質(zhì)量最大,磨損質(zhì)量為1.25 mg.ST試樣與ST-1試樣的磨損質(zhì)量次之,磨損質(zhì)量為1.13 mg.相比ST試樣與ST-1試樣,FS試樣具有最小的磨損質(zhì)量,磨損質(zhì)量為1.03 mg,磨損質(zhì)量相比UT試樣最高下降17.6%.這是因?yàn)樵诹黧w潤(rùn)滑條件下,相比ST和ST-1試樣,FS試樣在摩擦過(guò)程中形成的MoS2轉(zhuǎn)移膜不僅可以減少摩擦界面的接觸頻率,所產(chǎn)生的磨粒碎屑也可由微凹坑收集.

圖8 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的磨損質(zhì)量變化曲線

2.2 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損表面粗糙度及分形維數(shù)

圖9為流體潤(rùn)滑條件下不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損表面粗糙度Sa和分形維數(shù)D的變化曲線圖.從圖中可以看出,UT試樣的Sa最大,D最小,即Sa為1.75,D為1.71;ST試樣和ST-1試樣次之,Sa分別為1.46和1.47,D分別為1.79和1.78;而FS試樣相比ST試樣和ST-1試樣表現(xiàn)出較好的磨損表面質(zhì)量,Sa為1.28,D為1.86.相比UT,FS試樣的Sa最高可以下降26.86%,D上升8.77%.分析認(rèn)為,在流體潤(rùn)滑條件下,多級(jí)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)在摩擦過(guò)程中的固液協(xié)同潤(rùn)滑機(jī)制相比單一橢圓形微凹坑試樣,可以更好地減少摩擦界面微凸體的接觸頻率,進(jìn)而獲得更好的磨損表面質(zhì)量[14].

圖9 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損表面粗糙度和分形維數(shù)

2.3 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損機(jī)理分析

圖10為流體潤(rùn)滑條件下不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的磨損表面磨痕形貌及XRD圖譜.

圖10 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損表面形貌及XRD圖譜

圖10中θ為入射角,I為射線強(qiáng)度.圖11為不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損表面各物相體積分?jǐn)?shù)φ.從圖10a可以看出,UT試樣的表面磨損區(qū)域主要為深犁和磨屑黏附,表面磨損比其他潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)嚴(yán)重,摩擦性能最差,磨損表面最大犁溝寬度和深度分別為17.446 μm和1.290 μm,表面凸包寬度和高度最大分別為8.968 μm和0.698 μm.磨損表面氧化物(Fe2O3)體積分?jǐn)?shù)為6.9%,Cr9.1Si0.9的體積分?jǐn)?shù)7.10%,這是由于在流體潤(rùn)滑條件下,相比邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑,摩擦界面主要由動(dòng)壓潤(rùn)滑起主導(dǎo)作用,摩擦產(chǎn)生的熱量減少,此時(shí)UT試樣表面為嚴(yán)重的磨粒磨損和輕微的黏著磨損和氧化磨損.

圖11 不同潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損表面各物相體積分?jǐn)?shù)

圖10b中ST試樣的表面磨損區(qū)域主要為淺犁,伴隨著少量深犁,磨損表面沒(méi)有明顯的磨屑黏附,磨損程度相對(duì)UT試樣較輕,磨損表面最大犁溝寬度和深度分為13.606 μm和1.172 μm,相對(duì)于UT試樣磨損表面最大犁溝尺寸分別下降了22.06%和9.15%.并且通過(guò)XRD圖譜和圖11可以看出,磨損表面沒(méi)有明顯的氧化物,Cr9.1Si0.9的體積分?jǐn)?shù)為6.20%,相比UT試樣下降了0.90%.這是由于在流體潤(rùn)滑條件下,ST相比UT試樣產(chǎn)生額外的流體動(dòng)壓效應(yīng),提高摩擦界面油膜的承載能力,一定程度上減少摩擦界面微凸體的接觸頻率,單一橢圓形微凹坑磨損表面為嚴(yán)重的磨粒磨損.

圖10c中ST-1試樣的表面磨損區(qū)域主要是淺犁.磨損表面沒(méi)有明顯的深犁和磨屑黏附,磨損表面與橢圓形微凹坑磨損表面相似,磨損表面最大犁溝寬度和深度分別為13.636 μm和1.162 μm,相對(duì)于UT試樣磨損表面最大犁溝尺寸分別下降了21.84%和9.92%,并且通過(guò)XRD圖譜和圖11可以得出,磨損表面沒(méi)有檢測(cè)到氧化物(Fe2O3)的成分,Cr9.1Si0.9的體積分?jǐn)?shù)為6.10%,相比UT試樣下降了1.00%.

圖10d中FS試樣的磨損表面只有少量淺犁,磨損表面最大犁溝寬度和深度分別為10.236 μm和0.926 μm,相比UT試樣的最大犁溝尺寸分別下降了41.32%和28.22%,通過(guò)XRD圖譜和圖11可以得出,磨損表面的CrMo3S4,SiS2和Cr9.1Si0.9的體積分?jǐn)?shù)φ分別為4.54%,4.42%和4.41%.這是由于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑條件下,圓形微凹坑的存在可以額外捕捉摩擦界面產(chǎn)生的磨粒碎屑,摩擦界面“陷阱效應(yīng)”增強(qiáng),相比單一正弦填充潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)可以提高動(dòng)壓油膜的承載能力,摩擦界面通過(guò)動(dòng)壓油膜和MoS2轉(zhuǎn)移薄膜的組合進(jìn)行潤(rùn)滑和分離[15],進(jìn)而改善摩擦性能.

3 結(jié) 論

在YTRC2110D型柴油機(jī)缸套流體潤(rùn)滑區(qū)域,設(shè)計(jì)不同的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)改善活塞環(huán)-缸套表面的摩擦性能,其摩擦性能和磨損機(jī)理具有較大的差異,結(jié)論如下:

1) 與光滑表面相比,微織構(gòu)試樣表面的平均摩擦系數(shù)均顯著下降,其中,多級(jí)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)表面平均摩擦系數(shù)下降得最多,其最高可以下降42.2%.

2) 光滑試樣表面的磨損表面粗糙度Sa最大,分形維數(shù)D最小;而單一橢圓形微凹坑潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)與單一圓形微凹坑潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)磨損表面Sa和D相差不大.多級(jí)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)試樣具有更好的磨損表面質(zhì)量,Sa最高下降26.86%,D上升8.77%.

3) 光滑試樣表面產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損、輕微的黏著磨損和氧化磨損;單一橢圓形微凹坑與圓形微凹坑潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的流體動(dòng)壓效應(yīng),磨損程度較光滑表面相對(duì)較輕,表面產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損;多級(jí)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)通過(guò)動(dòng)壓油膜和二硫化鉬轉(zhuǎn)移薄膜的組合進(jìn)行潤(rùn)滑和分離,其磨損表面只有少量淺犁.