发动机缸套金属陶瓷涂层高频重载摩擦磨损试验研究

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废气涡轮增压器的推广使得高速重型柴油机成为现代柴油机设计和发展的趋势口]。重型柴油机平均有效压力增大 ，因而热负荷和机械负荷大幅度增加 ，作用在活塞上 的惯性力和侧压力增加 ，从而加剧活塞环和气缸套的磨损，影响柴油机的使用寿命。

作为柴油机的主要易损件之-，气缸套的磨损情况是决定柴油机是否需要大修的主要依据。现代柴油机要求缸套具有更高的耐磨性，与活塞环有良好的配副性 。目前 ，柴油机缸套多采用离心浇铸的铝合金或铸铁作基体材料 ，缸套 内表面采用 离子氮化-硫化、Al-si复合体涂覆[2 ]、镍包碳化铬超音速喷涂[4 和激光淬火等表面复合处理技术形成耐磨、减摩复合层，再用平顶珩磨、冲击微坑 等加工工艺制成最终产品。大部分活塞环由球墨铸铁、合金铸铁和不锈钢材料制成，常用的表面强化处理工艺有镀Cr、氮化 、喷 Mo、陶瓷涂 层 强化 和激 光 表面 硬化等 ]。缸套和活塞环是-对摩擦副 ，即使单个零件具有优异的耐磨性 ，配对的零件如果磨损过大仍然会造成系统失效 。在选择缸套 、活塞环 的材料和表面加工工艺时，为了避免接触表面由于高温熔着而造成发动机拉缸 ，摩擦副材料应选用互不相熔或相熔性差的金属lg]。此外，还必须综合考虑两者的相对硬度[1 、耐磨性和贮油性。

本研究通过-系列试验对 Cr。C。喷涂缸套进行了耐磨性研究 。在不 同的试验温度 、润滑状态和载荷下测量普通缸套与渗碳环、cr。c。喷涂缸套与不同硬度活塞环之间的摩擦 因数，并通过扫描 电子显微镜和表面形貌仪测量各缸套的磨损状况♂果表明，温度和润滑状态均能影响摩擦因数和磨损率；硬度不足喷涂缸套 1/3的磷化铸铁环与缸套对磨时会发生严重的黏着磨损。

1 试验装置及方法磨损试验在 Optimal SRV IV高温往复磨损试验机上进行，试验设备可测试不同载荷、不同温度、不同润滑介质下各种涂层的摩擦因数、抗磨性能的变化趋势，评定材料的高温减摩性能[1 。试验温度、频率、载荷和行程可分别在 25～900 oC，1～511 Hz，O～2 000 N，O～5.0 mm范围内连续调节 ，测试结果具有重复性和再现性。其加温加载装置见图 1，上夹具由两边的箝位螺丝固定在往复式驱动杆上，中间是带有中心轴和沉头螺栓的活塞环支架，可容纳 2～5 mm厚度的活塞环。本试验采用 2 mm厚度的高铬渗碳活塞环和耐热铸铁环。下夹具内放收稿 日期 ：2012-12-21；修 回日期 ：2013-06-08基金项目：广东省产学研结合项 目(2010A090200010)；国防科工委项目(JPPT-115-240)作者简介：叶子波(198O-)，男，博士，主要从事内燃机摩擦磨损研究；meyezibo###163.com。

车 用 发 动 机 2013年第 3期置的缸套试样通过箝位螺丝鹏，油面高于缸套最低点1 mm以上 。下试样 为 Cr。C -25%NiCr强化缸套，缸套切片尺寸为 20 mm×12 mmX 4 mm。

Optimal SRVⅣ磨损试验机能连续测出上试样的摩擦力，自动计算和记录摩擦因数。

图 1 摩擦机加温加载装置基于初期的测试观察，建立了-套测定摩擦因数和磨 损 的程序，将 试 验分为 10 min磨 合 与180 min测试 2个阶段：磨合阶段载荷为 50 N；测试阶段载荷为 200 N和 400 N，温度为 8O～99℃。参考 SRV试验机使用手册，频率均为 50 Hz，行程均为 2.00 mm；润滑剂采用 CD5W-40柴油机油；摩擦因数为测试阶段磨损试验的数据。

2 试验结果与分析2.1 试验材料组织及成分涂层材料 的设计 必须考 虑热膨 胀 的影响[1 。

镍铬合金与铸铁缸套的热膨胀系数接近，可以避免热膨胀失配产生剪切应力而出现裂纹，且镍铬合金具有很高的化学稳定性、强度及抗腐蚀性，硬度受温度的影响很小 ，从而使金属陶瓷增强铸铁基复合材料在摩擦过程中不易发生黏着磨损。在超音速火焰喷涂过程 中，粉末颗粒 中的 NiCr合金 富集 区迅速熔化，并且润湿和溶解周 围的超细 Cr。C 颗粒 ，在超音速气流带动下撞击到基体上，因颗粒扁平化充分而形成典型的热喷涂特有的层状结构(见图 2)，涂层上的微凹坑是喷涂孔隙，有利于润滑油的贮存。

涂层和基体显微组织见图 3，左侧涂层与右侧基体的结合部位十分致密，没有明显的裂纹存在。涂层上灰色部分是碳化铬和石墨复合粉末，石墨作为固体润滑剂，可以使涂层在 2002 000。C温度中以很高的滑动速度工作，无需润滑油。白色部分为镍铬合金，其中镍质量分数为80 ，铬质量分数为 20 ，作 为碳化铬颗粒 的黏结 相，均匀分散 在涂层 内部 。

缸套涂层硬度为 HV 1100，而铸铁基体的硬度只有 HV。. 211。活塞环分别采用高铬渗碳环和耐热铸铁环，外 环侧 面的硬度分别为 HV 1049和HVo.2294。

图 2 涂层表面形貌图 3 缸套横截面2.2 摩擦 因数、磨损深度及磨损形貌图4示出在油润滑和高低载荷下缸套-活塞环的摩擦因数随时间的变化，1 S提取 1次测量信号。

由图 4可以看出：在 400 N载荷下摩擦 因数迅速趋于平稳且变化幅值很小；在 200 N作用力下摩擦因数出现随时问呈阶梯式逐渐减小的趋势 ，但达到平稳值所需时间比400 N长；在 3 869 S后 200 N载荷下的摩擦因数比400 N的校从图 5可知，由于铸铁环和缸套涂层的硬度相差较大 ，磨损初期摩擦 因数变 化 幅度 较 大，摩 擦 因数 最 大 值 达 0.329，前4 785 s摩擦因数的平均值为 0.270，随后摩擦因数逐渐减小，在 8 739 S后摩擦因数幅值变化范围较小，摩擦因数平均值为0.166。

籁匝泌斟时间f/s图 4 缸套与高铬渗碳环的摩擦因数(80。C)2013年 6月 叶子波，等：发动机缸套金属陶瓷涂层高频重载摩擦磨损试验研究图 5 缸套 与磷化铸铁 环的摩擦 因数(8O℃)现代发动机的冷却系统大部分都采用水冷的方式，气缸盖出口处水的温度在 80～99℃之间，其中暖机工况下冷却水温度为8O℃，在标定工况下冷却水温度在 90～95℃之间。若散热器存在水垢，冷却水向空气的散热被阻碍，会使冷却水温度上升；此外，采用闭式水冷却系统的发动机提高了冷却系中的压力，冷却水沸点升高，也会使发动机在较高的温度下连续运转。图 6示出缸套在 30 Hz、不同温度不同润滑条件下缸套-活塞环的摩擦因数。在润滑状态下，碳化铬缸套在8O℃时摩擦 因数维持在0.167左右，摩擦因数变化幅值很小；在 99℃时摩擦因数略有增加，平均值为 0.182，变化幅值也增加，最大值与最小值之差为 0.051。碳化铬缸套在干摩擦状态下摩擦因数曲线出现数个峰值。这是由于在摩擦过程中，硬度较小的镍铬合金和石墨被磨平和转移 ，摩擦因数处于相对平稳的状态；随着软质合金逐渐被移除，嵌在镍铬合金里的硬质 相碳化铬颗粒开始与高硬度的活塞环接触，碳化铬颗粒被强硬地剥离，造成摩擦因数值陡升，硬质相被移除后再次进入活塞环与软质合金对磨的阶段。普通缸套与高铬渗碳环的硬度相差较大，即使载荷只有 200 N，二者仍快速地进入剧烈磨损阶段，导致摩擦因数值较大，而且摩擦因数的变化幅值也较大。

l-21.O0.8墨0-6趋!0-4n20- - 碳化铬缸套，8o℃，油润滑，40ON - 碳化铬缸套，99℃，油润滑，40ON- . . 碳化铬缸套，99℃，干摩擦。40ON- - 普通缸套，8o℃，干摩擦，200N时间 tl s图 6 缸套与高铬渗碳环的摩擦因数采用 BMT Expert3D表面形貌仪测量各缸套的磨损深度(见图 7)。碳化铬缸套在磨损区域内表面形貌的褶皱和峰脊清晰可见，褶皱受缸套和活塞环表面粗糙度的影响，峰脊是在磨损过程中材料在磨损边界的塑性变形形成隆起 的形状。涂层中Cr。C 硬质相在磨损过程中从黏结相剥落 ，部分硬暑越嫩辎墩巨、赚盥摩擦行程/mma 碳化铬缸套，8O℃，油润滑，40ON摩擦行程/mmb碳化铬缸套，99 qC，油润滑，400N摩擦行程/mmc碳化铬缸套，99℃，干摩擦，400N摩擦行程 /mmd普通缸套，8o℃，干摩擦，200N图7 缸套的磨损深度2013年 6月 叶子波，等 ：发动机缸套金属陶瓷涂层高频重载摩擦磨损试验研究姿1瓣嚣O 0.2 0.4 0.6 0.8 I.O缸套试样长度 /rnme 4OON，油润滑主鬈轮廓水平截距/%d轮廓的支承长度率图 9 缸套 表面粗糙度活塞环外侧面圆周长度/mma 未磨活塞环耋莲活塞环外侧面圆周长度/nⅡnb 200N，油润滑活塞环外侧面圆周长度，nC 400N，油润滑图 1O 高铬渗碳活塞环 的表 面粗 糙度由图 10可以看出，未磨活塞环最大波长的轮廓清晰可见，轮廓线上有许多毛刺”；在 200 N载荷下对磨 180 min，轮廓线上的毛刺”消失，出现新的凸峰和凹谷；在 400 N载荷下对磨 180 min，活塞环的表面轮廓出现凸峰和凹谷的数量较少，轮廓线较平坦，相同水平截距下轮廓的支承长度率较高。

3 结论a)Cr。C 喷涂缸套与高铬渗碳环配对时，受200 N载荷时的稳定摩擦因数值比400 N载荷时的小，摩擦因数随时间阶梯式减小，但在400 N载荷下摩擦因数能迅速趋于平稳且变化幅值很小；CrsCz喷涂缸套与磷化铸铁环配对时，摩擦因数在达到稳定值前所需时间较长且变化幅度较大；在油润滑状态下，随着温度升高，摩擦因数的平均值和变化幅度、磨损率略有增加；干摩擦时摩擦因数和磨损率较大 ；b)缸套与高铬渗碳环配对的磨损表现为摩擦表面的塑性变形，在 200 N载荷作用下缸套涂层的黏结相被磨掉，露出碳化铬颗粒；而承受400 N载荷的涂层则出现疲劳裂纹，硬质颗粒 由于塑性变形而出现大部分被磨平的区域；缸套与磷化铸铁环配对的磨损主要表现为黏着磨损；缸套和活塞环的硬度值差别过大会造成硬度较小的材料磨损严重；c)缸套在进行 200 N载荷的摩擦试验后，其表面粗糙度 R 值 比承受 400 N载荷 的小 ，但其轮廓支承长度率R 比承受 400 N载荷的小；随着载荷增加，活塞环的表面粗糙峰逐渐被削平，轮廓支承长度率也随之增加。