激光加工织构化活塞环-气缸套摩擦磨损性能研究

激光加工织构化活塞环-气缸套摩擦磨损性能研究

徐宝库 1 赫冬 2

1.中车大连机车车辆有限公司，辽宁大连， 116022 2.三一重型装备有限公司，辽宁沈阳， 116045)

摘要: 采用Nd-YAG激光器在铬基陶瓷复合镀(CKS)活塞环表面制备微织构，在自制的往复式摩擦磨损试验机上研究了载荷为40-60 MPa，温度为200℃条件下激光加工微织构对摩擦副摩擦磨损性能的影响。发现载荷的增加，摩擦系数和磨损量均呈先减小后增大的趋势，在200℃，50 MPa条件下均取得最小值。载荷对摩擦副摩擦磨损性能的影响主要与润滑油的黏度和成膜性能有关。

关键词: 激光加工；织构化；载荷；活塞环-气缸套

中图分类号：TH117.3 文献标识码：A

Study on Friction and Wear Property of Piston Ring-Cylinder Liner under Different Working Condition

XuBaoKu¹，HE Dong²

( 1.CRRC Dalian Locomotive and Rolling Stock CO.,ltd, Dalian Liaoning, 116022;

2.Sany Heavy Equipment Co., Ltd. Shenyang Liaoning, 116045)

Abstract: The micro textures were fabricated on the surface of CKS piston ring by Nd-YAG laser. The friction and wear property of the textured piston ring-cylinder liner were investigated on a self-made reciprocating test rig under the load of 40-60 MPa and temperatures at 200℃. The friction coefficient and wear loss both showed an tendency of first decrease and then increase with the increase of load and obtained the minimum value at 200℃and 50 MPa. The influence of load on the friction and wear property was mainly relative to the viscosity and oil film formation of the lubrication oil.

Keywords: Texturing; Load; Piston ring-cylinder liner

高强化是当今世界军用和民用动力技术发展的一个必然趋势。通过采用高强化技术，能够使发动机在提高动力性的同时实现小型化和轻量化^[1]，军用车辆动力可以满足未来战争对装备的高机动性和快速部署要求，民用车辆动力可以显著减小CO₂排放，实现节能减排。然而高温高压的工况条件造成内燃机摩擦副润滑状态恶化，活塞环-气缸套摩擦副摩擦磨损性能降低，磨损量增大，甚至造成拉缸故障^[2-3]。

激光表面织构化是近年来发展起来改善摩擦副摩擦学性能的一种具有潜力新技术^[4]。通过在摩擦副表面制备微织构，可以在摩擦副运动的过程中起到贮油、增加流体动压效应以及捕捉磨屑的作用，从而改善摩擦副的摩擦磨损性能。

实验温度和载荷对润滑油的性质，成膜状态以及织构的动压增强效应均有影响。本文研究了高强化条件下，载荷对激光加工微织构摩擦副的摩擦磨损性能的影响，以拓展织构在不同工况条件下的应用范围。

1. 实验部分

以传统的CKS活塞环-铸铁缸套摩擦副为研究对象，缸套试样与活塞环试样均从实际应用的缸套与活塞环上切下。缸套试样内径与活塞环试样外径均为110 mm。采用电火花线切割将缸套沿圆周方向均分40份，切割长度为43 mm。活塞环为片状闭口环，外径110 mm，环高3 mm，沿活塞环圆周方向等分20份，切割成扇环形活塞环试样。

采用Nd-YAG激光器在铬基陶瓷复合镀(CKS)活塞环表面制备微织构，采用自制往复式摩擦磨损试验机检测摩擦副的摩擦磨损性能，实验载荷为40-60 MPa，温度为200℃。

2. 结果与讨论

2.1激光表面微织构制备

微织构的参数为：微坑直径为130 μm，深度30 μm，面积占有率5%，排布角度为0°。

2.2 载荷对织构化活塞环-气缸套摩擦学性能的影响

图1给出了织构化活塞环-气缸套摩擦副在载荷为40-60 MPa条件下摩擦系数和磨损量随时间变化曲线。由图可知，随摩擦过程的进行，3种载荷条件下摩擦副的瞬时摩擦系数曲线均随摩擦过程的进行都有明显的下降趋势(图1(a))，经过一段磨合时间后达到平稳，但达到平稳所需的时间不同，40 MPa条件下所需时间较长，约需30分钟，而50 MPa条件下摩擦副所需的磨合时间最短，仅需要12分钟。从平均摩擦系数看图(1 (b))，在载荷为50 MPa条件下，织构化活塞环-气缸套平均摩擦系数最低，只有0.086，而当载荷增加达60 MPa后，平均摩擦系数反而增加到最大，约为0.113。活塞环与气缸套磨损量随载荷增大均呈先减小后增大趋势，在载荷为50MPa条件下取得最小值，分别为3.14 μm及1.83μm。在载荷为60 MPa条件下活塞环、气缸套磨损量均为最大，分别为4.32 μm及3.47 μm。

图1 载荷对微织构摩擦副摩擦系数和磨损量的影响

(a) 摩擦副瞬时摩擦系数; (b) 摩擦副平均摩擦系数; (c) 活塞环磨损量; (d) 缸套磨损量

活塞环-气缸套的平均摩擦系数随载荷的增加先减小再增大，这可能是由于随着摩擦副承受的载荷增大，摩擦副表面压力增大，加快了润滑油成分与金属生成反应膜，使摩擦系数降低；但随着载荷的增大，在摩擦副表面局部位置超过油膜的承载力时，油膜会发生破裂，两摩擦副表面发生直接接触，从而使摩擦副的摩擦系数增大，同时摩擦副的磨损量也相应增大。试验可以看出摩擦系数曲线与磨损量曲线表现出基本一致的规律，即摩擦系数高，对应的磨损量也较高。

2.3微织构化活塞环-气缸套摩擦磨损形貌分析

图2为无织构及织构化活塞环与气缸套配对时在温度为200 ℃，载荷为50 MPa条件下表面磨损形貌。由图可知，无织构活塞环磨损后试样表面有明显划痕，CKS活塞环表面的电镀网纹基本消失(图2(a))。与无织构活塞环配对的气缸套表面有明显的磨损痕迹，珩磨纹模糊，缸套表面存在点、片状脱落的现象，且部分区域脱落的缺陷已经连接成片，说明气缸套表面发生黏着磨损(图2(b))；图2(c)-(d)为织构化活塞环及其配对副气缸套磨损试样的磨损形貌，由图可见，织构活塞环表面有轻微划痕，采用能谱仪对微坑内成分进行分析，发现微坑除含Cr元素外，还含有S、P等元素(图2(c))，这可能是由于摩擦实验过程中润滑油(4652D)进入微坑造成的，说明织构能够起到贮存润滑油的作用。与织构活塞环配对的气缸套表面磨痕较轻微，表面只存在轻微的塑性流变，有撕裂、拖拽的痕迹(图2(d))。

图2 无织构及织构化摩擦副磨损表面形貌

(a) 无织构活塞环(b) 无织构活塞环配对气缸套(c) 织构活塞环(d) 织构化活塞环的配对气缸套

2.3微织构减磨机理分析

在活塞环气缸套工作过程中，在活塞环表面制备微织构可以起到储油、加强动压效应以及捕捉磨屑作用，从而降低摩擦副的摩擦系数，改变磨损形式减小磨损量，改善摩擦副的摩擦磨损性能。载荷对摩擦副润滑性能的影响主要体现在成膜性上，随载荷增加润滑油成膜性能提高使摩擦系数和磨损量降低，当载荷过高时则发生油膜破裂，摩擦副直接接触，使摩擦系数和磨损量增大。

3.结论

采用Nd-YAG激光器在铬基陶瓷复合镀(CKS)活塞环表面制备微织构，研究了不同工况条件下微织构对CKS活塞环-铸铁缸套摩擦副的减摩抗磨作用。

1. 在温度为200 ℃，载荷为40-60 MPa条件下，摩擦副的摩擦系数和磨损量随载荷增加呈先减小后增大的趋势，50 MPa条件下平均摩擦系数和磨损量均取得最小值。

2. 载荷对织构化活塞环气缸套摩擦副的影响主要体现在润滑油膜的形成状态。一定范围内载荷增大有利于润滑油膜的形成。

参考文献

[1]V.W. Wong and S.C. Tung, Overview of automotive engine friction and reduction trends-Effects of surface, material, and lubricant-additive technologies, Friction 4(1) (2016) 1-28.

[2]M. Priest and C.M. Taylor, Automobile engine tribology - approaching the surface, Wear 241(2) (2000) 193-203.

[3]K. Holmberg, P. Andersson and A. Erdemir, Global energy consumption due to friction in passenger cars, Tribology International 47 (2012) 221-234.

[4]Y. Kligerman, I. Etsion and A. Shinkarenko, Improving tribological performance of piston rings by partial surface texturing, Journal of Tribology-Transactions of the Asme 127(3) (2005) 632-638.