缸套碳氮/滲硫層在含FeS微粒潤滑油下的摩擦學性能

齊俊平，雷艷華，王新華

(1.周口職業技術學院，河南 周口 466000；2.河南警察學院，河南 鄭州 450046)

近年來，由于環保法規及柴油機功率密度的要求越來越高，缸套承受的熱負荷和機械負荷越來越大[1]，潤滑油膜的建立也更加困難，柴油機缸套內表面常由于發生劃傷、磨損、拉缸等而失效，出現大量漏氣、燃油率上升、機械效率下降等諸多問題。相關研究表明：表面淬火能夠有效提高缸套內表面的硬度和耐磨性[2]，但缸套表面經表面淬火處理后存在著變形量較大且容易產生裂紋等問題，需進一步深入研究。離子滲氮可提高缸套內表面的硬度[3]，但缸套是與活塞環配副使用的，僅提高缸套內表面的硬度會加劇活塞環外表面的磨損，降低摩擦副整體壽命，也無法延長內燃機使用壽命。表面微織構有利于潤滑油膜的生成，能夠改善缸套的摩擦學性能[4]，但各種表面微織構參數的通用標準或模型還需進一步研究制訂。缸套內表面經低溫離子滲硫處理后，改性層的減摩耐磨性能提高，對磨件的耐磨性也會明顯得到改善[5]，但受滲硫工藝的限制，制備的滲硫層厚度一般較薄且硬度較低,隨著服役時間的延長，會逐漸被磨耗而失效，特別是在較苛刻條件下，滲硫層將迅速遭受破壞而失效[6]。柴油機缸套無論是采用飛濺潤滑油潤滑還是壓力潤滑油潤滑[7]，在活塞環上止點附近區域特定工作條件(如新鮮混合氣流的沖刷、高溫燃氣稀釋、燒蝕等)下，缸套內表面潤滑油膜的形成都是十分困難的，缸套實際上是工作在邊界摩擦或干摩擦條件下，缸套內表面存在著磨損量較大的問題。固體潤滑作為現代發展迅速的一種潤滑技術,可以有效地降低邊界潤滑條件下摩擦副表面的摩擦磨損[8]，因而固體潤滑技術成為改善缸套內表面摩擦學性能的一種主要手段。

缸套的減摩耐磨需要其表面具有較低摩擦系數、高的硬度和疲勞強度[9]等，采用單一的表面技術工藝很難滿足其多種性能的需求[10]，而如何使多種表面技術與液體潤滑以及固-液潤滑協同優化，以解決一些機械設備及其零部件在特定工況下的耐磨性難題，還有待深入研究。黃友庭等[11]研究表明,離子碳氮共滲與低溫離子滲硫表面技術復合可以得到更優的表面組織結構。尹延國等[12]研究表明,在油潤滑條件下，FeS-銅基復合材料的摩擦磨損性能隨FeS含量的增加呈先改善后變差的趨勢，FeS的最佳含量為7.5%。但是將FeS微粒添加到潤滑油中與離子碳氮-滲硫復合改性層協同作用是否能取得良好的協同作用效果，進一步提升離子碳氮-滲硫復合改性層摩擦學性能，尚缺少研究。

為了減少氣缸套內表面的摩擦磨損，本研究以某合金鑄鐵氣缸套為研究對象，采用表面化學熱處理技術對氣缸套內表面進行離子碳氮-滲硫復合處理，在氣缸套內表面制備出碳氮-滲硫復合改性層；將適量的FeS微粒添加到潤滑油中，通過摩擦磨損試驗，對比分析缸套內表面復合改性層在潤滑油和含FeS微粒潤滑油條件下的摩擦學性能，并重點研究探討了復合改性層與含FeS微粒復合潤滑油協同作用的機理。

1 試驗材料與方法

試驗用氣缸套內徑為110 mm,壁厚為8 mm，高度為200 mm，材料為經500 ℃，3 h去應力退火處理后的CrMoCu合金鑄鐵(硬度為297.4 HV0.05)，其化學成分見表1。配副活塞環為PVD(CrN)涂層環(硬度為702 HV0.05)，外徑110 mm，內徑70 mm，軸向高度3 mm。潤滑油為昆侖CD40潤滑油，其添加劑ZDDP的理化性能見表2。FeS微粒以純FeS粉末作為原料，硬度為70～100 HV0.05，將FeS原料經酒精分散后用DECO-PBM-V-2 L-A高能球磨機研磨14 h左右，靜置24 h后浮選出粒度約為0.5 μm的粉末(用M-2000激光粒度分析儀測試 FeS微粒的粒度)，干燥處理后按1%～4%的比例添加到部分潤滑油中(質量分數，下同)，不添加任何分散劑，混合均勻后備用(以下簡稱復合油)。用 LAC214電子天平(精確度0.1 mg)稱量FeS微粒質量，采用重力沉降法評價所配置的含FeS微粒潤滑油的懸浮穩定性，用JEOL-2011透射電鏡觀察FeS微粒的形貌。

沿缸套圓周方向將其以9°均勻分割，再切成43 mm等長小段作為缸套試樣，尺寸為43 mm×8.6 mm×8 mm；沿活塞環圓周方向將其以18°均勻分割，作為環試樣，尺寸為20 mm×17 mm×3 mm。缸套試樣用汽油、酒精進行超聲波清洗15 min，吹干后，利用LD-MC-15A化學熱處理設備，對缸套內表面進行離子碳氮共滲-滲硫復合處理(以下簡稱復合改性層)。復合處理時，先在爐內通入氨氣，滲氮處理4 h 后，再通入1% 的丙烷氣體，進行離子碳氮共滲處理2 h，隨爐冷卻后，以單質硫粉為供硫劑，氨氣為輔助氣體，進行低溫離子滲硫。經優化后的化學熱處理工藝參數見表3。

表1 CrMoCu合金鑄鐵化學成分

表2 潤滑油添加劑主要理化指標

表3 表面化學處理工藝參數

試驗采用對置往復式摩擦磨損試驗機，試驗結構示意見圖1。圖1中，環試樣作為上試樣,固定在加載壓頭上，工作面朝下,固定不動；缸套試樣作為下試樣，固定在滑塊上，工作面向上，隨滑塊作往復直線運動。試驗參數：電動機轉速為200 r/min(最大線速度約為0.315 m/s)，往復行程為30 mm，采用滴油潤滑方式，供油量約為0.1 mL/min，復合潤滑油通過加油孔連續供應到摩擦副界面上。缸套試樣表面溫度為150 ℃(用K型熱電偶測溫)，在試驗載荷為300 N時考查FeS微粒添加量對復合改性層耐磨性的影響。在載荷分別為20，100，200，300 N時，測試復合改性層與潤滑油、復合油協同作用的摩擦學性能，所有試驗時間均為30 min。試驗載荷通過試驗機的砝碼加載機構加載在壓頭上，電動機的旋轉運動通過試驗機的往復運動系統轉變為滑塊的往復直線運動，摩擦系數由計算機采集并記錄[13]。

從試驗前后的缸套試樣和環試樣上分別切下若干個小塊樣品，用WQ-9金屬清洗劑經超聲波清洗后,制成不同種類、不同規格尺寸的觀測試樣。用NanoTest 600納米壓痕儀測試FeS粉末材料及滲硫層的硬度,用帶有能譜儀(Oxford 7573)JSM-6460LV及Hitachi S-3400n掃描電子顯微鏡，觀察和分析復合改性層表面、截面、磨損表面形貌及成分。采用D/max-RB X射線衍射儀(XRD)分析復合改性層表面物相結構。用MH-6顯微硬度計測試缸套、活塞環試樣的表面顯微硬度，用PHI-5300ESCA X射線光電子能譜儀(XPS)分析元素的化學價態；用LK-200M表面輪廓儀測量和計算磨損體積損失。所有試驗結果均取3次測試結果的平均值。

圖1 對置往復式摩擦磨損試驗結構示意

2 試驗結果與分析

2.1 復合改性層的形貌與組織結構性能

圖2示出復合改性層的表面微觀形貌。從圖2可見，復合改性滲硫層由許多近似球狀的FeS顆粒隨機疊加而成,呈疏松多孔結構，硫化物顆粒尺寸大小在0.5～0.8 μm。圖3示出復合改性層截面形貌，其中白亮帶為滲硫層，滲硫層下面為碳氮共滲層。經測試復合改性層厚度約為15 μm，其中滲硫層的厚度約為4 μm，碳氮共滲層厚度約為11 μm。經測定碳氮共滲層的平均顯微硬度為772 HV0.05，比基體的平均硬度297.4 HV0.05提高1.6倍。硫化物層的平均硬度約為80 HV0.05，碳氮共滲-滲硫復合改性層的平均硬度為732.2 HV0.05。由此可知通過碳氮共滲-滲硫復合處理后，氣缸套試樣內表面形成了最表層較軟、次表層硬度較高、與基體良好過渡的理想摩擦表面[14]，這有利于進一步提高缸套內表面的摩擦學性能。

圖4示出復合改性層的X射線衍射分析圖譜。由圖4可知，復合改性層主要由FeS，FeS2，Fe2C和Fe3N 等相組成，碳氮共滲次表層主要由Fe3N 相和Fe2C相組成。其中 Fe2C為正交結構，屬硬脆相，Fe3N相為密排六方結構，屬高硬度相，Fe3N相的存在是碳氮共滲層硬度較高的原因。復合改性層表面的滲硫層主要由FeS 相及FeS2相組成，FeS具有密排六方結構，可以起到固體潤滑減摩作用，而FeS2為正交或立方結構，不具備潤滑性能。

圖2 復合改性層表面形貌

圖3 復合改性層截面形貌

圖4 復合改性層XRD 圖譜

圖5示出復合改性層中S元素的XPS分譜。從圖5可以看出，S元素的結合能為161.58 eV，與FeS的標準結合能161.6 eV相吻合，這表明復合改性層中的硫化物主要以超潤滑固體FeS相存在，保證了復合改性層表面具有良好的自潤滑減摩性能。

圖5 復合改性層表面滲硫層XPS能譜

2.2 FeS微粒形貌與懸浮穩定性

圖6示出FeS微粒的TEM形貌照片，圖7示出添加到潤滑油中混合均勻靜置6 d后，試管中潤滑油和復合油的照片。從圖6可見，由FeS粉末經研磨浮選出的粒度0.5 μm FeS微粒主要呈不規則的片狀結構，經測試其平均粒度約為0.45 μm，平均厚度約為15 nm，在自然狀態下存在著明顯的團聚現象。FeS微粒添加到潤滑油中經超聲分散混合均勻靜置6 d后，添加量小于4%的復合油均沒有出現明顯的分層或沉底現象，添加量為4%時有少量的FeS微粒發生團聚沉淀現象。這表明所配置的復合油在一定的時間內具備較好的穩定分散性，可以用于后續試驗。

圖6 FeS微粒的TEM形貌

圖7 試管中復合油的照片

2.3 不同FeS微粒添加量下的摩擦學性能

表4列出載荷為300 N時，缸套試樣表面磨損體積隨潤滑油中FeS微粒添加量的增加而變化的測試結果。從表4可知，隨FeS微粒在潤滑油中添加量的增加，缸套試樣表面磨損體積先減小后增加，當FeS微粒添加量為2.5%時，缸套試樣表面磨損體積最小，為3.243×10-3mm3,相對添加量為1%時減少47.6%，相對添加量為4%時減少69.4%。這是因為，當潤滑油中FeS微粒添加量較少時,能夠吸附到缸套試樣表面上的FeS微粒數量較少，對缸套試樣表面起不到很好的保護和固體潤滑作用，故缸套試樣表面磨損體積較大。由于FeS微粒尺寸小、表面能高以及油溶性差[14]等，當潤滑油中FeS微粒添加量過多時,容易發生團聚沉淀現象，會影響FeS微粒在磨損表面上的吸附效果，再者，FeS微粒團聚后粒徑增大，會引發“磨粒”磨損現象,故缸套試樣表面磨損體積較大。因此，FeS微粒在潤滑油中的添加量以2.5%為佳。以下試驗中所述的復合油，如沒特殊說明，FeS微粒的添加量均為2.5%。

表4 FeS微粒添加量與磨損體積的關系

2.4 不同載荷下缸套試樣表面的磨損形貌

圖8示出載荷分別為20 N和300 N時，在復合油潤滑條件下，摩擦磨損試驗結束后，缸套試樣表面磨損形貌和FeS微粒留存的SEM照片。從圖8a可見,當載荷較小時，缸套試樣表面上留存的FeS微粒數量較少,分布較不均勻且斷續，總的覆蓋面積較小，這表明復合改性層與復合油的協同作用效果不明顯。其磨損表面上存在有較淺的犁溝和少量較小磨屑粒子，大量的滲硫層仍較為完整地存在，這表明在輕載工況下，復合滲硫層良好的自潤滑減摩作用可以在較長時間內得到充分地發揮。從圖8b可見,當載荷為300 N時，缸套試樣磨損表面上留存的FeS微粒數量相對載荷為20 N時顯著增加，形成了有效的FeS微粒保護層，總的覆蓋比例增大，FeS微粒之間的間距減小，這表明復合改性層與復合油的協同作用效果明顯增強。但缸套試樣磨損表面犁溝的深度有所增加，而且部分犁溝因FeS微粒的存在而不連續，磨損表面有明顯的擦痕。受到FeS微粒保護的硫化物層破壞程度較為輕微，滲硫層仍清晰可見，而未受到FeS微粒保護的硫化物已被磨穿，局部存在有少量較大的片狀磨屑和較多的劃痕，這表明在較為苛刻工況下，未受保護的滲硫層會迅速遭受破壞而失去其良好的減摩抗磨作用。

圖8 不同載荷下缸套試樣表面磨損形貌

2.5 不同潤滑條件下缸套與環試樣表面的磨損形貌

圖9和圖10分別示出載荷為200 N時，在潤滑油和復合油潤滑條件下缸套和活塞環試樣表面的磨損形貌。從圖9a可見，在潤滑油潤滑下，缸套試樣磨損表面有許多連續、較寬、淺的劃痕和溝槽，多數硫化物層已被磨穿，在磨損表面上還存在一些尺寸較大球狀磨粒,顯然其磨損機制以磨料磨損為主。從圖9b可見，環試樣表面上存在較多連續、較窄、深的劃痕和溝槽，溝槽側面存在黏著撕裂現象，磨損表面上的FeS硫化物少而稀薄。在磨損表面上還黏附有大量細小的粒狀磨料，整個磨損表面顯得比較粗糙，破壞程度較為嚴重，顯然其磨損機制以磨料磨損為主，黏著磨損為輔。

從圖10a可見，在復合油潤滑下，缸套試樣磨損表面只有少量不連續的劃痕，留存的FeS微粒數量較多，且分布較為均勻，表面磨損破壞程度輕微。從圖10b可見，環試樣表面上有少量不連續的劃痕和較寬淺的犁溝以及少量的磨粒，表面有輕微擦痕，留存的FeS微粒數量較少，FeS轉移膜清晰可見，可繼續起到減摩潤滑作用，表面磨損破壞程度相對潤滑油潤滑較輕，顯然其磨損機制均以磨料磨損為主。

圖9 潤滑油潤滑下缸套和環試樣表面磨損形貌

圖10 含FeS微粒潤滑油潤滑下缸套和環試樣表面磨損形貌

2.6 載荷對缸套/環摩擦學性能的影響

表5、表6分別列出在潤滑油和復合油潤滑下，缸套與環試樣表面摩擦系數及磨損體積隨載荷的變化測試統計結果。從表5、表6可知，在潤滑油和復合油潤滑下，缸套試樣表面的摩擦系數都隨載荷的增加而減小，磨損體積均隨載荷的增加而增大，但在不同試驗載荷作用下，相對于潤滑油潤滑，使用復合油潤滑時缸套和環試樣表面摩擦系數和磨損體積始終都較小，配副性提高。

表5 潤滑油潤滑下摩擦系數和磨損體積隨載荷的變化

表6 復合油潤滑下摩擦系數和磨損體積隨載荷的變化

2.7 磨損表面能譜分析

在試驗過程中發現，當載荷為20 N時，缸套和活塞環試樣磨損表面成分主要為基體元素，幾乎沒有邊界薄膜的形成，隨著載荷的增加，基體以外元素含量逐漸增加，磨損表面發生了較為復雜的化學反應。為了分析在摩擦磨損過程中磨損表面上可能生成的邊界薄膜，對載荷200 N和在復合油潤滑下，缸套試樣磨損表面主要元素成分進行了EDX分析，結果見圖11。

圖11 典型磨損表面EDX能譜

從圖11可知，缸套試樣磨損表面存在著較多的Fe元素和O元素，少量的N、C、Zn、P、S等元素，其中Fe、N、C、S來自于基體，O來自于大氣，Zn、P、S為潤滑油添加劑分解元素。通過進一步對磨痕表面元素化學價態XPS分析可知：O1s的結合能位于529.8 eV，530.8 eV，531.8 eV，分別對應的氧化物為FeO，Fe3O4，FeSO4；Fe2p的結合能位于707.1 eV，712.7 eV，分別對應于單質Fe和硫化物FeS；N1s的結合能位于401.4 eV，對應于氮化物Fe3N；Zn2p的結合能位于1 022.6 eV，對應于磷酸鋅；P2p的結合能位于133.4 eV，對應于磷酸鹽[15]。這表明在缸套試樣磨損表面主要形成了以FeO、Fe3O4、FeS、FeSO4和磷酸鹽為主的邊界潤滑薄膜。其中：FeO、Fe3O4具有減摩性能[16]，FeSO4是FeS的氧化物，不具有減摩性能，但可起抗摩作用；Fe3N是碳氮共滲層中的硬質相，具有優良的抗磨性能；磷酸鹽具有優良的抗氧化、抗磨損和抗腐蝕性能。

2.8 討論

FeS是一種典型的固體潤滑材料，將FeS粉末作為添加劑加入到潤滑油中,可以起到分擔載荷的作用，從而提高潤滑油的極壓性能[17]，有利于潤滑油膜的建立，使油膜的耐壓性增加。因此,在苛刻工況下，當潤滑油膜形成十分困難時，在潤滑油中添加FeS微粒可起固體潤滑作用，能補充單一液體潤滑方式的不足，減少材料的摩擦磨損。

在摩擦磨損過程中，當FeS微粒隨潤滑油不斷地進入缸套/環試樣內外表面時，由于FeS微粒為0.5 μm的較小微米級固體粒子，具有較大的表面能。當摩擦副表面發生磨損時，機械能轉化為熱能，摩擦副表面溫度升高，磨損新鮮表面裸露，則缸套內表面和活塞環外表面的活性增大，對FeS微粒產生的物理吸附、化學吸附作用增強[18]，FeS微粒可以不斷地被吸附在摩擦副表面上，在外加載荷正壓力的作用下，貼附在摩擦表面上形成吸附層。由于FeS微粒與基體之間屬于機械結合，結合強度有限，在外加載荷正壓力的作用下可能會與基體之間結合得更密實而留存在摩擦副表面上，也可能在外加載荷切向力的作用下脫落，但只要摩擦副接觸界面之間有復合油的存在，FeS微粒對摩擦副表面材料的保護和固體潤滑作用就會繼續[19]。同時摩擦副表面也會發生較為復雜的化學反應，生成不同類型的邊界薄膜，協同潤滑油油膜、FeS微粒吸附層，可以對滲硫層起到很好的保護作用，使得滲硫層在次表層較高硬度碳氮共滲層的支撐下，發揮其阻礙摩擦副金屬間直接接觸，避免或降低黏著磨損等作用[20]，從而提高摩擦副表面材料的耐磨性。

當載荷較小，為20 N時，環試樣作用在缸套試樣表面的正壓力較小，摩擦機械能轉化為熱能有限,對FeS微粒產生的物理吸附、化學吸附作用較差，吸附到摩擦副表面上FeS微粒數量少，FeS微粒與基體之間的結合不緊密，結合強度較低，能夠留存在摩擦副表面上FeS微粒數量更少(如圖8a)，形不成有效的保護隔離層，此時缸套/環試樣表面材料直接對磨的比例較大，FeS微粒對摩擦副表面的保護作用沒得到應有的發揮，故認為復合改性層與復合油協同作用效果不明顯。

當載荷較小時，摩擦副表面之間發生的摩擦磨損較為溫和，其表面之間會有較多的微凸體存在[21]，表面粗糙度相對較大。同時產生的摩擦熱量少、溫度低，摩擦副表面的化學反應難以進行，生成的FeO，Fe3O4，FeS，FeSO4和磷酸鹽等的邊界薄膜數量少、厚度小。再者，如上所述，在摩擦副接觸區域吸附的FeS微粒數量也較少，因此，邊界薄膜和FeS微粒吸附層減摩抗磨作用均較差。上述綜合作用導致摩擦系數較大。當溫度低時，潤滑油黏度較大，油膜厚度大，有利于潤滑油減摩作用的發揮。當載荷小時，滲流層的磨耗小，延長了滲硫層的存在時間，滲硫層和潤滑油油膜協同減摩抗磨作用能夠得到持續的發揮，減少了摩擦磨損。上述綜合作用使得摩擦副表面磨損體積均較小。

當載荷逐漸增加時，環試樣作用在缸套試樣表面的正壓力亦逐漸增大，機械能轉化為熱能相應提高，對FeS微粒產生的物理吸附、化學吸附作用也都隨之增強，摩擦副表面上FeS微粒吸附量和留存量隨之增加，能夠形成有效的FeS微粒保護層。此時摩擦副表面之間的摩擦磨損將大部分發生在FeS微粒之間，FeS微粒吸附層的保護與固體潤滑作用得到了充分發揮，故認為復合改性層與復合油協同作用效果明顯增強。同時摩擦副表面的微凸體所承受的正壓力和剪切力均較大，微凸體會發生剪切而斷裂[22]，被迅速磨平，摩擦副表面之間的接觸形式由點接觸轉為面接觸。摩擦磨損加劇產生的摩擦熱量大，摩擦表面溫度升高，化學反應速度加快，可生成有效的邊界薄膜。如上所述,在接觸區域吸附的FeS微粒數量增加，彌補了滲硫層和潤滑油膜在重載、高溫下減摩潤滑的不足，從而削弱了黏著作用，對磨損表面起修補作用，使接觸表面平整化。上述綜合作用導致摩擦系數隨著載荷逐漸增加而降低。

當載荷增大至300 N時，潤滑油膜厚度會明顯減薄，較薄的潤滑油膜在重載作用下容易被刺穿[23]，硬度較低且較薄的滲硫層也會迅速被磨損破壞掉，雖然在摩擦瞬時高溫的作用下油膜會重新再生，補償滲硫層的摩擦損失，但這種補償作用往往是有限的[24]，因此會失去其固體潤滑薄膜的減摩抗磨作用。當滲硫層被磨損破壞后，次表層的碳氮共滲層便會暴露出來，由于碳氮共滲層硬度高，自潤滑減摩性遠不如滲硫層，會增加環試樣的磨損量，摩擦副的匹配性變差。此時，雖然在缸套/環試樣接觸區域吸附的FeS微粒數量較多，但由于FeS微粒與摩擦副表面屬于機械結合，與基體之間的結合力有限，在摩擦切向力的作用下，難以在摩擦表面上長期存在，FeS微粒吸附層處于一個不斷形成、不斷脫落的動態循環狀態。再者，由于受FeS微粒最佳添加量的限制，形成的吸附層往往是不連續的，會破壞潤滑油膜的完整性，且FeS微粒在摩擦表面上的吸附存在著較大的隨機性，滑移面不一定正好與摩擦力作用方向一致[25]，而滲硫層可沿摩擦方向轉動配列[26]，因此，FeS微粒吸附層的作用效果相比通過化學處理形成的滲硫層，自潤滑減摩耐磨性能較差。上述綜合作用致使摩擦副表面磨損體積均隨著載荷逐漸增加而增大。

在摩擦磨損的過程中，由于摩擦副表面材料以及潤滑介質受外載、摩擦、溫升、自催化等的共同作用，會發生較為復雜的摩擦化學反應，在磨損表面上會生成不同類型的邊界薄膜[27]，從而避免膠合、黏著，進而提高材料的耐磨性。一般Fe的氧化物主要有FeO、Fe3O4和Fe2O3，其中FeO的形成在570 ℃以上，Fe3O4的形成溫度在200～570 ℃，Fe2O3在200 ℃以下形成[28]。當摩擦表面的溫度低于潤滑油添加劑的閃點溫度(241 ℃)時(見表 2)，潤滑油添加劑自催化的熱分解反應速度比較緩慢；當摩擦表面的溫度高于潤滑油添加劑的閃點溫度時,其熱分解反應速度會迅速加快，分解出S、Zn、P等元素，和大氣中的O元素發生熱氧化反應，生成固體聚磷酸鹽和有機硫，固體聚磷酸鹽會與鐵的氧化物繼續發生化學反應生成新的磷酸鹽[29]。當摩擦表面的瞬時溫度超過FeS硫化物和鐵的共晶溫度(988 ℃)時，FeS即發生分解與重生反應[30]。隨著摩擦表面溫度的升高，邊界薄膜的生長速率也會逐漸提高，厚度增大。

在相同的試驗條件下，在與復合油協同使用時，缸套試樣和活塞環試樣表現出不同的摩擦學性能，產生差異的原因主要為缸套試樣最表面的滲硫層為疏松多孔的結構，該結構有如下優點：1)有利于儲存并保持潤滑介質，增強液體的潤滑效果[31]；2)有利于FeS微粒的吸附，增加其表面的FeS微粒吸附留存量，能夠形成有效的FeS微粒吸附層；3)有利于O元素的擴散，可以促使摩擦表面氧化物薄膜的形成，滲硫層分解出的Fe原子加快了磷酸鹽、硫化物等化學反應膜的形成。因而缸套試樣表面存在的FeS微粒數量較多，磨損破壞程度較為輕微，如圖9、圖10所示。而活塞環試樣表面為CrN涂層，致密性高[32]，難以儲存潤滑油，不利于潤滑油膜的建立，不利于基體、潤滑油成分和O元素的擴散和吸附，邊界薄膜難以形成，也不利于FeS微粒的吸附。雖然其硬度高，但沒有自潤滑特性,減摩性能差。因而活塞環試樣表面留存的FeS微粒數量較少，磨損破壞程度較為嚴重。

在內燃機的實際應用中，隨著時間的延長，工況的變化，當滲硫層逐漸磨耗掉或遭受嚴重破壞、潤滑油膜形成十分困難時，添加到潤滑油中的FeS微粒可以不斷地吸附到缸套內表面和環外表面上，對其表面材料起保護和固體潤滑作用，減少了摩擦副表面材料之間直接接觸的比例，這在一定程度上會減少缸套與活塞環表面的磨損量。當載荷增大時，缸套內表面和環外表面上的FeS微粒吸附量和留存量隨載荷的增大而增加，提高了摩擦副表面之間的覆蓋率，使摩擦副表面材料之間的摩擦磨損更多地發生在FeS微粒上，使得缸套與活塞環表面的磨損量不因載荷的增大而迅速增加，提高了缸套和活塞環的配副性。

3 結論

a)CrMoCu合金鑄鐵缸套內表面經離子碳氮-滲硫復合改性處理后，最表層主要以超潤滑固體FeS相為主，次表層氮碳共滲層主要由Fe3N和Fe2C相組成，復合改性層硬度為732.2 HV，碳氮共滲層能夠為滲硫層提供有效的支撐，有利于滲硫層減摩抗磨作用的充分發揮；

b)FeS微粒在潤滑油中的最佳添加量為2.5%，添加到潤滑油中的FeS微粒，在摩擦磨損過程中可以不斷被吸附在缸套與環試樣內外表面上形成吸附層，對摩擦副表面材料起保護和固體潤滑作用，補充滲硫層的損失，彌補滲硫層厚度較薄的缺點和潤滑油在苛刻工況下潤滑方式的不足；

c)FeS微粒吸附層與摩擦副表面屬于機械結合，在摩擦磨損過程中難以在摩擦表面上長期存在，FeS微粒吸附層處于一個不斷形成、不斷脫落的動態循環狀態，且形成的吸附層不連續，其作用效果相比通過化學處理形成的滲流層差；

d)在其他試驗條件基本相同的情況下，輕載時，摩擦副表面材料活性、能量和溫度均較低，吸附和能夠留存在摩擦副表面上的FeS微粒數量均較少,邊界潤滑油膜難以形成，復合改性層與復合油協同作用效果不明顯；重載時，其協同作用效果更為優良，相對于潤滑油潤滑，缸套試樣表面耐磨性提高了53.1%,環試樣表面的耐磨性提高了49.9%，缸套與環試樣的配副性提高51.6%。