不同潤滑油缸套涂層摩擦磨損性能研究

李世永 龔軍振 張春明 王思陽 帥明軒

摘要：為了研究不同型號潤滑油對有無涂層缸套摩擦磨損性能的影響，采用往復式摩擦磨損試驗機進行樣塊試驗，對DLC活塞環(huán)與有無涂層缸套及5W-30和10W-40潤滑油進行配對對比試驗，并通過掃描電鏡觀察其磨損后的缸套表面形貌。結果表明：5W-30和10W-40有涂層的樣塊平均摩擦系數(shù)分別為0.065 01和0.11，無涂層的樣塊平均摩擦系數(shù)為0.078 46和0.116；5W-30和10W-40有涂層的樣塊平均磨損量分別為0.317 μm和0.274 μm，無涂層的樣塊平均磨損量為1.688 μm和1.861 μm。結論：在相同試驗條件下，有涂層樣塊的摩擦系數(shù)小于無涂層樣塊的摩擦系數(shù)，磨損量遠小于無涂層區(qū)域的磨損量；在相同試驗條件下，使用5W-30潤滑油的摩擦系數(shù)小于使用10W-40的摩擦系數(shù)；涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量；無涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量；有無涂層對磨損量的影響很大，不同粘度的潤滑油對摩擦系數(shù)的影響很大，但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。

關鍵詞：DLC活塞環(huán)；涂層；潤滑油；氣缸套；摩擦磨損

中圖分類號：TK421? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0080-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.022

0? ? 引言

活塞環(huán)—缸套摩擦副作為柴油機重要的摩擦副之一，其摩擦磨損性能對柴油機的動力性和使用壽命有著較大影響。隨著柴油機對性能要求的提高，改善活塞環(huán)—缸套的摩擦磨損性能引起了廣大學者的關注[1-4]。

涂層是用一定的工藝方法，均勻噴涂在基體表面的保護膜層，對基體耐磨性的提高有著重要意義。葉子波等人[5]研究了金屬涂層缸套的耐磨性能，發(fā)現(xiàn)Cr3C2噴涂缸套在200 N載荷下摩擦系數(shù)隨時間的增加呈階梯式減小。李斌等人[6]發(fā)現(xiàn)松孔鍍鉻活塞環(huán)摩擦系數(shù)和磨損量比鍍硬鉻低3.96%、53.18%。李柏強等人[7]發(fā)現(xiàn)WC-12Co涂層Q235碳鋼缸套具有優(yōu)良的耐磨性能，比KmTBCr8白口鑄鐵缸套摩擦系數(shù)要低。熊春華等人[8]通過潤滑計算模型，確定了適用于活塞環(huán)—缸套的潤滑油粘度指標。瞿磊等人[9]通過在潤滑油中添加MoS2發(fā)現(xiàn)0.1%的MoS2有效降低了缸套摩擦系數(shù)和磨損量，并且摩擦副表面也沒有出現(xiàn)裂紋，明顯改善了活塞環(huán)—缸套的摩擦磨損性能。

綜上所述，通過表面處理工藝和改善潤滑條件來提高活塞環(huán)—缸套摩擦磨損性能是可行的，并且具有更大的發(fā)展和應用潛力。因此，本研究通過一系列試驗，在不同潤滑狀態(tài)下研究了DLC涂層對缸套的摩擦系數(shù)、磨損量的影響，并通過掃描電鏡觀察磨損形貌。結果表明，涂層對缸套磨損量的影響很大，不同粘度的潤滑油對摩擦系數(shù)影響也大，但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。

1? ? 試驗材料及方法

1.1? ? 試驗材料

試驗采用合金鋼活塞環(huán)，取6份長度為8 mm的樣塊，其取樣部位示意圖如圖1所示。

試驗采用DLC涂層鑄鐵氣缸套，涂層為DLC，分別在有無涂層區(qū)域取6份15 mm×43 mm的樣塊，取樣部位示意圖如圖2所示。缸套表面原始形貌如圖3（a）（b）所示，由圖可以看出有涂層的樣塊表面有許多凹坑，這是涂層的噴涂孔隙，有利于存儲潤滑油。

5W-30和10W-40潤滑油為市場通用潤滑油。

1.2? ? 試驗方法

采用UMT-3摩擦磨損試驗機進行往復式摩擦磨損試驗，載荷為400 N，行程為15 mm，頻率16.67 Hz，溫度120 ℃，摩擦4 h，選擇5W-30和10W-40兩種潤滑油，滴油速度為0.1 mL/min。為減小試驗誤差，分別進行3次試驗對其求平均值，試驗方案如表1所示。

試驗裝置為UMT-3摩擦磨損試驗機，如圖4所示。

試驗流程如圖5所示，每次試驗結束后，將樣塊放入超聲清洗機中清洗15 min，清洗介質為酒精。采用三維形貌儀NPFLEX測量磨痕寬度、深度，采用掃描電鏡（SUPRATM55）對試驗后的樣塊磨損表面形貌進行觀察。

2? ? 試驗結果與分析

2.1? ? 摩擦系數(shù)和磨損量

表2、表3顯示了使用不同型號的潤滑油時樣塊的摩擦系數(shù)和磨損量的試驗結果。

根據(jù)表2、表3繪制對比圖形，如圖6所示。結合表2、表3及圖6可以看出，使用5W-30潤滑油時，無涂層樣塊的平均摩擦系數(shù)為0.078 46，有涂層樣塊的平均摩擦系數(shù)為0.065 01，降低了17%；無涂層樣塊的平均磨損量為1.688 μm，有涂層樣塊的平均磨損量為0.317 μm，降低了81%。使用10W-40潤滑油時，無涂層樣塊的平均摩擦系數(shù)為0.116，有涂層樣塊的平均摩擦系數(shù)為0.11，降低了5%；無涂層樣塊的平均磨損量為1.861 μm，有涂層樣塊的平均磨損量為0.274 μm，降低了85%。同時也可以看出，使用5W-30潤滑油的樣塊摩擦系數(shù)小于使用10W-40的摩擦系數(shù)，說明了樣塊不同粘度的潤滑油對摩擦系數(shù)影響較大。

2.2? ? 磨損表面形貌

圖7為試驗后缸套有涂層磨損量數(shù)據(jù)，圖8為試驗后缸套無涂層磨損量數(shù)據(jù)，可以看出圖8中無涂層樣塊磨痕寬度、深度比較明顯，而圖7中涂層樣塊幾乎沒有磨損，這說明涂層有著較好的微裂紋抵抗能力，有效改善了缸套的耐磨性能。而無涂層樣塊由于性能較差，受到載荷擠壓時，磨屑會擠到網(wǎng)紋中產(chǎn)生堆積，被當作磨料，增大了活塞環(huán)與缸套的接觸面積，也致使摩擦系數(shù)增大。同時也可以看出，涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量，無涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量，說明了樣塊有無涂層對磨損量的影響很大，但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。

圖9（a）（b）顯示了在120 ℃、潤滑條件下缸套樣塊的磨損形貌。受到400 N載荷時，樣塊大部分表面被磨平，這是由于在摩擦過程中脫落的涂層被擠壓嵌入到網(wǎng)紋和凹坑中，使?jié)櫥筒辉倬奂谀Σ粮北砻嫘纬删鶆虻挠湍ぃ瑥亩档土四Σ料禂?shù)，減小了磨損量。而無涂層的樣塊性能較差，在摩擦時缸套表面會產(chǎn)生微裂紋，隨著磨損時間加長，微裂紋足夠大時，就會造成部分硬質相脫落作為磨粒，進一步加劇了缸套的磨損，因此在缸套表面出現(xiàn)了沿運動方向的劃痕，進一步增加了缸套的磨損量，主要表現(xiàn)為磨粒磨損。試驗不是在封閉環(huán)境中進行的，因此在油膜不均勻的地方可能存在氧化磨損。

3? ? 結論

本文對不同潤滑條件下有無涂層缸套進行了摩擦磨損試驗，試驗后采用掃描電鏡等對試驗數(shù)據(jù)進行測量，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析比較得到如下結論：

（1）在相同試驗條件下，與DLC活塞環(huán)匹配，有涂層缸套樣塊摩擦系數(shù)小于無涂層缸套樣塊，有涂層樣塊的磨損量遠小于無涂層區(qū)域的磨損量。

（2）在相同試驗條件下，使用5W-30潤滑油的摩擦系數(shù)小于使用10W-40的摩擦系數(shù)。

（3）在相同試驗條件下，涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略大于使用10W-40的磨損量。

（4）在相同試驗條件下，無涂層樣塊使用5W-30潤滑油的磨損量略小于使用10W-40的磨損量。

（5）有無涂層對磨損量的影響很大，不同粘度的潤滑油對摩擦系數(shù)的影響很大，但是不同粘度的潤滑油對磨損量的影響較小。

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收稿日期：2023-05-12

作者簡介：李世永（1987—），男，山東人，工程師，研究方向：內燃機制造技術。

通信作者：龔軍振（1989—），男，河南項城人，工程師，研究方向：內燃機制造技術。