納米TiO2和Al2O3添加劑潤滑油對缸套-活塞環摩擦磨損性能的影響*

侯獻軍 蔡清平 陳必成Mohamed Kamal Ahmed Ali 彭輔明

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1) 武漢 430070) (汽車零部件技術湖北省協同創新中心2) 武漢 430070) (米尼亞大學工程學院汽車和拖拉機專業3) 米尼亞 61111)

納米TiO2和Al2O3添加劑潤滑油對缸套-活塞環摩擦磨損性能的影響*

侯獻軍1,2)蔡清平1,2)陳必成1,2)Mohamed Kamal Ahmed Ali1,3)彭輔明1,2)

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)武漢 430070) (汽車零部件技術湖北省協同創新中心2)武漢 430070) (米尼亞大學工程學院汽車和拖拉機專業3)米尼亞 61111)

以普通5W-30潤滑油作為基礎油，按一定配比添加納米Al2O3和TiO2粉末，通過實驗臺架高度模擬缸套-活塞環的工作環境，研究不同載荷下納米添加劑潤滑油對缸套-活塞環摩擦副摩擦磨損特性的影響.使用二分力拉壓傳感器和數據采集系統測量及保存摩擦副的受力；用0.1 mg精度電子天平測量摩擦前后活塞環的質量損失；用三維表面輪廓儀掃描試樣表面形貌；用場發射掃描電鏡對樣本進行微觀觀察及能譜分析.實驗結果表明，納米Al2O3和TiO2添加劑潤滑油能夠顯著的改善缸套-活塞環摩擦副的摩擦磨損性能，同5W-30基礎油相比，納米Al2O3潤滑油使摩擦副的摩擦因數和磨損率分別降低48.5%和21.6%，而納米TiO2潤滑油則分別降低49.9%和37.6%，表面平整度及表面磨痕也相應得到改善.

缸套-活塞環；納米Al2O3；納米TiO2；摩擦磨損

0 引 言

作為汽車發動機的主要摩擦副，缸套-活塞環的摩擦學性能對于發動機的工作穩定性、工作效率，以及排放特性具有重要影響[1-3].缸套-活塞環摩擦副的工作條件十分惡劣，在發動機的整個運行過程中不間斷的受到燃氣壓力及往復慣性力的作用，摩擦磨損十分嚴重.研究發現，發動機的摩擦損耗占其全部生成熱量的17%～19%，缸套-活塞環摩擦副的摩擦損耗占全部機械損耗的40%～50%[4].性能優異的潤滑油能夠顯著降低摩擦副之間的摩擦磨損，而好的添加劑則能夠明顯改善潤滑油的各項性能.

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1～100 nm)或由它們作為基本單元構成的材料，它獨特的量子尺寸效應、表面界面效應，以及低熔點等特性使其對潤滑油的改性具有得天獨厚的優勢[5].近年來納米材料作為發動機潤滑油添加劑的性能一直是業內的研究重點，韓德寶等[6]利用化學耦合劑將納米Al2O3粉末與CD40潤滑油均勻混合，驗證了Al2O3具有修復摩擦副表面和強化基體的作用，從而提高缸套-活塞環摩擦副減摩抗磨性能.錢建華等[7]利用硬脂酸修飾TiO2，驗證了TiO2作為液體石蠟的添加劑具有良好的減摩抗磨性能；Ajinkya等[8]通過銷盤摩擦試驗機研究了含不同濃度納米CuO添加劑的潤滑油性能.盡管納米材料作為一種優異的潤滑油添加劑已為越來越多的人所接受，但發動機納米添加劑潤滑油對缸套-活塞環摩擦學特性影響的研究卻并不多見，僅有的少數研究中，多數實驗都是在摩擦試驗機上進行，有的甚至直接采用摩擦塊代替缸套-活塞環摩擦副，這些都不能很好的模擬出缸套-活塞環摩擦副的工作環境.

文中通過自主設計高度仿真的摩擦實驗臺架，以某發動機缸套-活塞環作為研究對象，選取5W-30潤滑油作為基礎油，納米TiO2及Al2O3粉末作為添加劑，使用能夠均勻混溶納米材料與潤滑油的油酸作為修飾劑，研究不同載荷下含有納米添加劑的潤滑油對缸套-活塞環摩擦副摩擦磨損特性的影響，并將其與5W-30潤滑油的實驗結果進行對比分析.

1 實驗設計

1.1 實驗樣本制備

缸套-活塞環取自某四缸發動機，活塞環尺寸為1.9 mm×2.3 mm×18 mm，硬度為320 HV,缸套硬度為413 HV.將缸套線切割成3等份，并將活塞環配對切割，以便于安裝在實驗臺架上.以5W-30機油作為基礎油，油酸作為表面修飾劑，納米TiO2和Al2O3粉末分別作為添加劑，使用精度為0.1 mg的電子天平輔助配置溶液，其中納米材料質量分數為0.25%，油酸質量分數為9.75%，基礎油占比90%.配置好的溶液使用磁力攪拌器攪拌4 h，使之形成均勻的懸浮態油液.

1.2 實驗臺架搭建

實驗臺架模擬發動機工作時活塞的往復式運動，以三相異步電機作為動力來源，變頻器控制電動機轉速，通過鏈條帶動曲柄連桿機構運動，將電動機的旋轉運動轉化為滑塊的往復式滑動，缸套由螺栓固定在滑塊上一起運動，滑塊底面和側面設有凹槽并均勻分布8 mm鋼球以減少摩擦阻力，活塞環通過夾具固定，并通過懸臂梁對摩擦副施加載荷，搭建的實驗臺架見圖1.

1-鑄鐵底板；2-電動機；3-變頻控制器；4-鏈條；5-立式外球面軸承座；6-曲柄 連桿機構；7-往復直線運動滑塊；8-導向塊；9-導向小球；10-缸套試件；11-活 塞環試件；12-活塞環試件夾具；13-復合力傳感器；14-懸臂梁；15-懸臂梁支 架；16-往復直線運動滑軌；17-立式外球面軸承座支架；18-電動機支架 圖1 缸套-活塞環摩擦磨損原理圖

1.3 實驗方法

實驗過程中的摩擦力及壓力由二分力傳感器及數據采集系統測量保存.實驗前后使用精度為0.1 mg的電子天平測量活塞環的質量變化；使用三維表面輪廓儀對缸套試樣進行微觀分析；使用場發射掃描電鏡(FESEM)在微觀下觀察洗凈后的缸套試樣表面并做能譜分析.

實驗時用注射器量取5 mL潤滑油混合液加入缸套中，滑塊速度保持在0.5 m/s，分別在30，60，90，120，180 N載荷下相對運行20 km，將測得的數據換算成摩擦系數再求其平均值；缸套-活塞環摩擦副相對運行40 km，分別測量出相對運行20，30，40 km時活塞環的質量損失，換算出體積損失后再通過磨損率公式計算出活塞環的體積磨損率；將使用納米添加劑潤滑油試樣的微觀形貌圖與使用5W-30潤滑油的形貌圖進行對比，分析其表面粗糙度變化以及表面磨痕情況，查看實驗后活塞環表面的能譜分析圖，檢查摩擦表面是否分布有對應的納米元素.

2 結果與分析

2.1 不同載荷下摩擦系數的變化

圖2為在實驗條件相同的情況下，缸套-活塞環摩擦系數隨載荷的變化.隨著載荷的增加，摩擦系數逐漸降低，與5W-30基礎油相比，使用納米添加劑潤滑油的樣本摩擦系數顯著降低，且下降幅度更大，當載荷繼續增大時各摩擦系數趨于相等，這可能是由于在適當載荷下納米材料能夠在摩擦副表面形成一層薄膜并起到微軸承的作用.納米TiO2和Al2O3粉末對摩擦副的減摩作用十分接近，只是在載荷為90 N～180 N之間，納米TiO2粉末的減摩性能略微優異.其中在載荷為90 N時摩擦系數降比最大，添加TiO2和Al2O3的潤滑油分別達到49.7%和48.5%，與5W-30相比表現出良好的減摩性能.

圖2 不同載荷下缸套-活塞環的摩擦系數

2.2 相同載荷下磨損率的變化

圖3為缸套-活塞環樣本在試驗載荷為230 N時，分別相對運動20，30，40 km時活塞環磨損率的變化.由圖3可知，添加納米材料后活塞環的磨損率均有不同程度的降低，同5W-30相比，在相對運行20 km時納米TiO2潤滑油的降幅達到了最高為37.6%，相對運行40 km時納米Al2O3潤滑油的降幅最高達到21.6%，表現出優異的抗磨性能.同納米Al2O3潤滑油相比，納米TiO2潤滑油的試樣在連續運行20，30 km時的減磨效果顯得更為優異，但在相對運行40 km后，其減磨效果下降較快甚至低于Al2O3粉末，此時2種潤滑油對應的磨損率分別為15.34%和21.6%.納米Al2O3潤滑油適用于連續長距離行駛的車輛潤滑，而TiO2潤滑油則在城市內作短距離行駛的車輛上效果更佳，但兩種潤滑油在車輛長距離行駛時也能達到很好的潤滑效果.

圖3 運行不同里程后活塞環的磨損率變化

2.3 摩擦表面的微觀形貌

圖4為缸套-活塞環試樣在180 N載荷作用下相對運行15 km后活塞環的表面輪廓圖，使用5W-30基礎油的活塞環，其表面起伏度較大，波峰和波谷相對明顯，而使用納米TiO2添加劑潤滑油的活塞環(見圖4b)波峰下降18.8%，起伏度下降50%；使用添加納米Al2O3添加劑潤滑油的活塞環(見圖4c)表面輪廓改善明顯，波峰值降低62.5%，起伏度從18 μm下降到4.5 μm降幅達到75%；可見使用納米添加劑潤滑油能夠顯著提高活塞環的抗磨損作用.表1列出了實驗后活塞環的表面粗糙度，與使用5W-30潤滑油的活塞環相比，使用納米添加劑潤滑油的活塞環表面粗糙度大大降低，納米TiO2添加劑潤滑油降比為50.1%，納米Al2O3潤滑油降比為82.5%.

圖4 活塞環的三維表面輪廓圖

油樣面粗糙度/μmSaSq5W-301.5372.1195W-30+wAl2O30.25%0.2690.3665W-30+wTiO20.25%0.7670.962

2.4 電鏡掃描及能譜分析

缸套-活塞環摩擦副在載荷為180 N,線速度為0.5 m/s的條件下相對運動20 km，將試驗后的活塞環清洗干凈再鑲嵌固定，使用場發射掃描電鏡(FESEM)進行微觀分析，結果見圖5.從圖中可以直觀的看到納米添加劑潤滑油的抗磨效果明顯，使用5W-30基礎油的活塞環表面磨痕分布廣泛，在圖片中部尤其明顯，而使用納米添加劑潤滑油的活塞環表面磨痕不但較少，并且劃痕程度較輕.表2列出了活塞環EDS點掃結果，對應活塞環上均含有與之相應的金屬元素，這證明了納米材料能夠在摩擦副表面沉積形成薄膜，活塞環的磨痕減少可能是由于納米材料能夠填充和修復磨痕表面.

圖5 活塞環表面磨損形貌SEM圖片

根據活塞環頂部的EDS面掃結果，可以很清晰的看到Ti元素均勻的分布在掃描區域內，這表明在實驗過程中納米材料能夠對摩擦副表面進行填充和修復，從而提高活塞環的抗磨能力.

表2 活塞環EDS點掃元素分布 %

3 結 論

1) 納米Al2O3和TiO2粉末作為潤滑油添加劑能夠顯著提高摩缸套-活塞環擦副的減摩抗磨性能，與使用基礎潤滑油的試樣相比，使用納米潤滑油的試樣在摩擦系數、磨損率、表面粗糙度以及磨痕深度方面都得到較大改善.

2) 試驗載荷對納米潤滑油的作用效果影響顯著，在中等負荷下潤滑油的減摩效果最佳，當負荷過大或過小時，效果相應減弱但仍能達到15%以上.

3) 納米材料能夠對磨損表面進行填充修復，并在其表面形成一層保護膜，從而大大增加缸套-活塞環的抗磨減摩性能.

[1]張瑞軍,李生華,金元生,等.二烷基二硫代甲酸鉬和二烷基二硫代磷酸鉬對缸套活塞環摩擦學行為的影響[J].摩擦學學報,2001,21(3):191-195.

[2]ALI M, XIAN J H, TURKSON RF, et al. An analytical study of tribological parameters between piston ring and cylinder liner in internal combustion engines[J]. Nanotechnology Reviews,2014(3):189-194.

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Effect of Nano Al2O3and TiO2Lubricants on the Characteristics of Wear and Friction of Cylinder Liner/Piston Ring

HOU Xianjun1,2)CAI Qingping1,2)CHEN Bicheng1,2)MOHAMED Kamal Ahmed Ali1,3)PENG Fuming1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)(AutomotiveandTractorsEngineeringDepartment,FacultyofEngineering.MiniaUniversity,El-Minia61111,Egypt)3)

Choosing ordinary synthetic oil 5W-30 as the base oil, an experiment is carried out by using simulation workbench to study the effect of nano Al2O3and TiO2on the wear and friction of cylinder liner/piston ring. Friction forces and weight loss are measured by data acquisition with composite sensor and electronic balance. The morphology and EDS map of rubbing pair are investigated by 3-D profiler and FESEM. Compared with the base oil, the obtained results show that friction coefficient and wear rate decrease by 49.9% and 37.6%, respectively for using oil with TiO2. In addition, the friction coefficient and wear rate decrease by 48.5% and 21.6%, respectively, for using oil with Al2O3.

cylinder liner-piston ring; nano aluminum oxide; nano titanium oxide; wear and friction

2017-01-27

*國家自然科學基金資助項目資助(51575410)

TH117.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.003

侯獻軍(1973—)：男，博士，教授，主要研究領域為汽車及發動機CAD/CAE，發動機排放控制及電控技術