氣缸套表面微坑填充物的釋放行為試驗(yàn)研究

付景國(guó) 朱新河 馬圣林 于洪飛

摘要：為探究氣缸套表面微坑填充微納顆粒的釋放行為，在其試樣表面進(jìn)行微坑處理并填充蛇紋石粉，通過(guò)往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：填充物的外溢深度隨微坑深度的增加而增加，且外溢深度占比逐漸減少;開始階段溢出率比較大，后續(xù)變得平穩(wěn);在微納顆粒的釋放過(guò)程中摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定，釋放完畢后摩擦因數(shù)會(huì)有所上升;氣缸套表面微坑填充微納顆粒的釋放行為與藥物膠囊相似，釋放緩慢，發(fā)揮作用充分。

關(guān)鍵詞：氣缸套; 微坑填充物; 釋放行為; 溢出率

中圖分類號(hào)： U664; TH117

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：In order to investigate the releasing behavior of micro-nano particles that fill micro-dimples on the surface of the cylinder liner， the micro-dimple treatment and the filling operation with serpentine powder are carried out on the surface of the sample， and the reciprocating friction and wear tester is used to do the experiment. The results show that： the depth of the filling spillover increases with the increase of the micro-dimple depth， while the proportion of the spillover depth decreases gradually; the spillover rate is larger at the beginning， and then becomes steady later; the friction factor is relatively stable in the releasing process of micro-nano particles， and after the release， the friction factor increases a little; the releasing behavior of micro-dimple filling on the surface of the cylinder liner， similar to that of the medicine capsule， is slow and effective.

0 引 言

內(nèi)燃機(jī)因其安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好、功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在船舶、汽車和工程機(jī)械中。氣缸套-活塞環(huán)作為內(nèi)燃機(jī)中重要的摩擦副，對(duì)內(nèi)燃機(jī)整機(jī)的性能和可靠性有著極為重要的影響，改善該摩擦副的摩擦性能具有十分重要的意義。

為改善氣缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦性能，表面織構(gòu)因其具有儲(chǔ)存滑油和收集磨粒的作用而被越來(lái)越多的研究者[1-2]所關(guān)注。對(duì)表面織構(gòu)的研究既有單純的表面織構(gòu)形狀對(duì)氣缸套-活塞環(huán)摩擦性能影響的試驗(yàn)研究[3]，也有表面織構(gòu)形狀對(duì)摩擦副減摩的動(dòng)壓潤(rùn)滑的理論研究[4]，還有對(duì)氣缸套表面織構(gòu)潤(rùn)滑的仿真分析[5]。VLADESCU等[6]還發(fā)現(xiàn)表面織構(gòu)對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的摩擦副也有一定的減摩效果。表面織構(gòu)已被證實(shí)能有效改善摩擦副的摩擦性能，但在極端條件下表面織構(gòu)中存儲(chǔ)的液體潤(rùn)滑劑對(duì)摩擦副的摩擦性能影響相對(duì)較弱。

隨著微加工工藝的提高，表面微織構(gòu)加工方法以及對(duì)表面織構(gòu)二次處理的方法也逐漸變得豐富。郭俊文[7]對(duì)微織構(gòu)化后的316不銹鋼做了離子滲氮復(fù)合處理，發(fā)現(xiàn)在干摩擦和脂潤(rùn)滑的情況下進(jìn)行二次處理可以使摩擦副之間的摩擦因數(shù)波動(dòng)較小，磨損失重有一定程度的減少。XING等[8]研究了在復(fù)合陶瓷表面激光微織構(gòu)內(nèi)填充固體潤(rùn)滑劑對(duì)陶瓷摩擦性能的影響。華希俊等[9]發(fā)現(xiàn)試樣在經(jīng)過(guò)激光織構(gòu)、淬火、固體潤(rùn)滑劑填充處理后摩擦因數(shù)下降約50%。王天龍[10]將微坑填充技術(shù)應(yīng)用在氣缸套上，并研究了微坑直徑、深度和間距對(duì)氣缸套摩擦性能的影響。HU等[11]研究了固體潤(rùn)滑劑填充方式對(duì)復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)摩擦性能的影響。以上研究都表明采用表面織構(gòu)與復(fù)合填充工藝相結(jié)合的方法對(duì)改善試樣的摩擦性能有一定的效果。

在工程實(shí)際中表面織構(gòu)中所填充的微納顆粒的量會(huì)隨使用時(shí)間的增加而逐漸減少，其變化量也會(huì)對(duì)試樣的摩擦性能造成一定的影響。對(duì)微坑填充微納顆粒而言，微坑直徑、深度越小，填充量就越少，且在油潤(rùn)滑情況下微納顆粒會(huì)加速外溢，因此有必要探究微納顆粒在摩擦磨損過(guò)程中的釋放情況，以期對(duì)需要長(zhǎng)時(shí)間工作的機(jī)械設(shè)備的加工有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)步驟

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用內(nèi)徑為110 mm的鑄鐵氣缸套和外徑為110 mm的物理氣相沉積（physical vapor deposition， PVD）活塞環(huán)，采用數(shù)控機(jī)床在氣缸套內(nèi)表面加工出內(nèi)徑為1.0 mm，深度分別為0.4、0.7、1.0 mm，間距為兩倍直徑的幾種表面微坑，其三維形貌見圖1。因?yàn)樵谀Σ聊p過(guò)程中作為滑油添加劑的蛇紋石微納顆粒可在氣缸套表面形成一層保護(hù)膜，對(duì)氣缸套表面磨損所造成的金屬脫落起到一定的補(bǔ)償作用[12]，所以選用蛇紋石微納顆粒作為填充材料。對(duì)微坑進(jìn)行熱壓填充處理，蛇紋石粒徑（采用粒度儀檢測(cè)）90%在417 nm以內(nèi)。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

采用對(duì)置往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[13]研究微坑中微納顆粒的釋放行為。試驗(yàn)機(jī)由加載系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和摩擦力采集系統(tǒng)等5個(gè)系統(tǒng)組成，可以很好地完成摩擦學(xué)性能測(cè)試。試驗(yàn)采用昆侖CD 15W-40號(hào)柴油機(jī)潤(rùn)滑油;試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，試驗(yàn)溫度為150 ℃，磨合期載荷為10 MPa，磨合期時(shí)間為2 h，后增加載荷至30 MPa繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);對(duì)每種方案的每個(gè)試樣分別連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)12、24、36、48、60和72 h后對(duì)表面微坑深度進(jìn)行測(cè)量;運(yùn)轉(zhuǎn)期間一直供油，供油量約為0.1 mL/min。利用LabVIEW軟件采集系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的摩擦力信號(hào)來(lái)研究摩擦因數(shù)的變化，利用三維共聚焦顯微鏡（OLYMPUS-OLS3100）測(cè)量氣缸套試樣表面微坑的深度。

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（編輯 賈裙平）