缸套表面微凹坑對Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環摩擦性能的影響

李 斌 蔡 軍 陳 勇 徐加偉

(1.陸軍軍事交通學院 江蘇鎮江 212003；2.武警士官學校 浙江杭州 311400)

柴油機自問世以來由于其良好的經濟性、可靠性等優點在民用運輸以及國防裝備領域得到了廣泛的應用。而缸套-活塞環作為柴油機中最重要的摩擦副之一，其摩擦學性能的好壞對柴油機的正常運行有重要的影響[1-3]。尤其是近年來隨著柴油機強化程度的不斷提高，其單缸功率逐漸增大，缸套-活塞環摩擦副的運行工況變得更加苛刻，這就對缸套-活塞環摩擦副的減摩耐磨性能提出了更高的要求。

國內外學者們對缸套-活塞環摩擦學性能的研究主要集中于2個方向，一是表面微造型，二是表面涂層。表面微造型也稱為表面微織構，即在缸套或者活塞環表面加工出微米級尺寸的微凹坑，這些凹坑一方面能夠存儲潤滑油，同時還能收集磨粒，從而起到降低磨損的作用[4-6]。對于涂層的研究主要是根據不同涂層的特性來展開的。比如，鉻基陶瓷復合鍍涂層由于其中陶瓷顆粒的支撐作用具有良好的抗疲勞磨損性能[7]，噴鉬活塞環由于其硬度較低而表現出良好的抗黏著性能[8]，銅錫合金由于其較低剪切強度和良好的自潤滑性能常用于自潤滑軸承中[9]。

從現有研究來看，對于缸套表面微凹坑的研究主要側重于微凹坑本身，如微凹坑在流體動壓潤滑條件下如何產生動壓效應，在邊界潤滑或者貧油潤滑條件下如何收集磨粒[10-12]。而對于微凹坑與活塞環減摩涂層共同作用下的磨損機制的研究較少，尤其是對于活塞環Cu-Sn鍍層這種剪切強度低且潤滑性能較好的軟涂層的研究更是鮮有報道。本文作者選用鑄鐵缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環為配對副，以缸套表面有無微凹坑為變量，研究缸套表面微凹坑對Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環摩擦性能的影響，為高強化柴油機摩擦副的設計和研究提供借鑒意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗選用的缸套為球墨鑄鐵缸套，缸套內徑為300 mm，壁厚為8 mm。采用線切割方法切割成圓周方向6°、軸向42 mm的試樣。缸套表面形貌如圖1所示，其中圖1(a)所示為未加工微凹坑的鑄鐵缸套的表面形貌；圖1(b)所示是通過鏜孔工藝加工出的有微凹坑的鑄鐵缸套表面，可以看出缸套表面有許多零散分布的微凹坑，凹坑底部由于漏出了石墨組織而顯示黑色。為了盡可能減少其他因素對試驗的干擾，圖1(b)所示缸套是在圖1(a)缸套的基礎上直接加工出來的。試驗選用的活塞環為Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環，活塞環外徑為300 mm，軸向高度為5 mm，采用無齒鋸切割成沿著圓周方向12°弧長的活塞環試樣，其截面形貌如圖2(a)所示。其中第一層為Cu-Sn鍍層，第二層為鍍Cr層，最后一層為基體。圖2(b)示出了Cu-Sn鍍層的成分分析結果，可以看出其主要成分為Cu和Sn元素。Cu-Sn鍍層和Cr鍍層的表面形貌如圖3所示，其中鍍Cr層的表面形貌是將Cu-Sn鍍層拋光后顯露出來得到的，可以看出，Cu-Sn鍍層表面分布著許多縱橫交錯的網紋以及大小不同的Cu-Sn顆粒；鍍Cr層表面分布著許多網紋。

圖1 無微凹和有微凹坑缸套表面形貌

圖2 活塞環截面形貌及Cu-Sn鍍層成分

圖3 Cu-Sn鍍層和Cr鍍層表面形貌

1.2 試驗方法

柴油機在運行至上止點位置時，由于受到燃氣爆發壓力的影響，加之活塞線速度降低、缸套溫度升高，導致缸套-活塞環摩擦副在上止點處于邊界潤滑狀態，使其磨損加劇。依據“磨損形式-條件統一”的模擬準則[13]，對缸套-活塞環的往復運動形式進行模擬，通過降低缸套與活塞環之間的相對運動速度來獲得邊界潤滑的狀態，同時通過強化載荷的方式來加速摩擦副的磨損。按照以上模擬的參數，采用往復式摩擦磨損試驗機進行試驗，試樣的接觸以及運動形式如圖4所示。

圖4 摩擦試驗機的試件運動形式

試驗過程分為2個階段：低載階段和高載階段。低載階段溫度為120 ℃，載荷為7 MPa，時間為3 h，其目的是讓缸套-活塞環經過磨合達到一個相互匹配的狀態，減少非試驗因素對試驗結果的影響；高載階段溫度為190 ℃，載荷為56 MPa，時間為21 h。整個試驗過程中轉速保持200 r/min不變。

2種缸套各進行4次重復試驗，用每次試驗高載階段趨于穩定時所對應的止點位置的摩擦力除以法向載荷作為配對副的摩擦因數，以缸套和活塞環線磨損量的大小表征其磨損程度，然后取4次試驗的平均值，對比分析2種摩擦副的摩擦性能。每組試驗結束后，將缸套和活塞環試樣依次置于汽油和乙醇溶液中，用超聲清洗15 min。用OLYMPUS LEXT OLS3100(50×)激光共聚焦顯微鏡(LSM)測量試驗結束后試樣的表面形貌，根據試樣磨損區域和未磨損區域的高度差來表示線磨損量；采用德國ZEISS公司的SUPRA 55 SAPPHIRE型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDX)觀察試樣磨損前后的表面微觀形貌，并進行表面成分分析。

2 摩擦磨損試驗結果及分析

2.1 摩擦因數與磨損量

表2給出了2種配對副的摩擦因數及磨損量?？梢钥闯觯瑹o微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環配對副的摩擦因數為0.106 1，有微凹坑缸套配對副的摩擦因數為0.101 8，有微凹坑缸套配對副的摩擦因數比無微凹坑的低4.05%。說明缸套表面微凹坑的存在能夠在一定程度上降低配對副的摩擦因數。

表2 2種配對副的摩擦因數及磨損量

無微凹坑缸套的線磨損量為1.11 μm，有微凹坑缸套的線磨損量為0.53 μm，后者相比前者線磨損量低52.25%；與無微凹坑缸套配對的活塞環線磨損量為24.12 μm，與有微凹坑缸套配對的活塞環線磨損量為22.07 μm，后者相比前者磨損量減小了8.50%。從2種配對副的活塞環線磨損量來看，其線磨損量均超過了Cu-Sn鍍層的厚度，說明在試驗結束后，活塞環表面的Cu-Sn鍍層都已經磨損脫落。

2.2 摩擦副表面微觀分析

圖5示出了試驗結束后無微凹坑缸套表面的微觀形貌，與圖1(a)中缸套的原始形貌相比，其表面磨損比較嚴重，露出了許多黑色的石墨組織。圖6示出了試驗結束后有微凹坑缸套表面的微觀形貌，與圖1(b)中試驗前的缸套相比，其磨損程度不大。從圖6(a)(b)中可以看出，試驗結束后的缸套表面有許多灰色的補丁狀物質，這些補丁狀物質多分布在缸套表面微凹坑或者缺陷處。對圖6(b)中的位置1處進行成分分析，可以看出其中含有大量的Cu和Sn元素，如圖6(c)所示。因此可以得出灰色的補丁狀物質是活塞環表面的Cu-Sn鍍層，其在試驗過程中由于受到往復摩擦力的作用而脫落，鑲嵌到缸套表面的凹陷處。

圖5 試驗后無微凹坑缸套表面微觀形貌

圖6 試驗后微凹坑缸套表面微觀形貌和成分分析結果

圖7所示是與無微凹坑缸套配對活塞環試驗后的表面微觀形貌?？梢钥闯觯c無微凹坑缸套配對的活塞環表面磨損嚴重，鍍層表面原始的網紋已經完全消失，且能看到明顯的與滑動方向平行的劃痕。圖8所示是與微凹坑缸套配對活塞環試驗后的表面微觀形貌?？梢钥闯?，與有微凹坑缸套配對的活塞環表面仍能看到原始的網紋結構，說明其磨損程度比圖7中活塞環輕微。但從圖8中可以看出磨損后活塞環表面的網紋寬度較圖3(b)中的原始網紋寬度明顯變寬，高倍鏡下可以看到網紋處有疲勞脫落的跡象[14]。

圖7 與無微凹坑缸套配對活塞環磨損后的表面形貌

圖8 與微凹坑缸套配對活塞環磨損后的表面形貌

2.3 作用機制探討

Cu-Sn鍍層由于剪切強度低，在往復摩擦力的作用下首先從活塞環表面脫落[15]。對于無微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環配對副來說，由于缸套表面無微凹坑，因此從活塞環表面脫落的Cu-Sn鍍層隨著摩擦副的往復運動以及潤滑油的流動被帶離摩擦面，這時活塞環表面的鍍Cr層為主要的承載面。隨著試驗的進行，鍍Cr層網紋邊緣形成應力集中區，并在往復摩擦力的作用下從活塞環表面剝落，剝落下來的微小顆粒又作為磨粒進一步加劇了摩擦副的磨損[16]。因此無微凹坑缸套表面磨損較嚴重，且與之配對的活塞環表面出現了明顯的沿運動方向的劃痕。

對于微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr活塞環配對副來說，一方面，微凹坑的存在能存儲潤滑油、收集磨粒，從而起到減小摩擦因數、降低磨損的作用；另一方面，從活塞環表面脫落的Cu-Sn鍍層在往復摩擦力的作用下鑲嵌到缸套表面的微凹坑中，鑲嵌到微凹坑中的Cu-Sn鍍層中的微納米級銅錫合金顆粒隨著配對副的往復運動和潤滑油的流動從凹坑中擴散出來，起到了二次潤滑的作用，延長了Cu-Sn鍍層的作用壽命[17]，進一步減小了配對副的摩擦因數和磨損量，因此微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環配對副的摩擦因數較低，且缸套和活塞環的磨損程度較無微凹坑缸套配對副輕微。

3 結論

(1)有微凹坑缸套與Cu-Sn/Cr多鍍層活塞環配對副的摩擦因數、缸套磨損量、活塞環磨損量比無微凹坑缸套配對副分別低4.05%、52.25%、8.50%。

(2)缸套表面的微凹坑能夠為從活塞環表面脫落的Cu-Sn鍍層提供鑲嵌點，使Cu-Sn鍍層能起到二次潤滑的作用，延長了其作用壽命，減小了配對副的摩擦因數和磨損量。