激光織構(gòu)對氮化氣缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響

激光織構(gòu)對氮化氣缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響

0織構(gòu)化氣缸套材料氮氣泵的良好耐堿性、耐腐蝕性和良好的耐候性引起了國內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注。表面織構(gòu)技術(shù)作為一種能夠改善摩擦副摩擦磨損性能的表面改性方法，在氣缸套-活塞環(huán)摩擦副上的應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注微織構(gòu)的面積占有率等織構(gòu)參數(shù)是影響材料摩擦磨損性能的重要參數(shù)，合適的織構(gòu)參數(shù)能優(yōu)化內(nèi)燃機氣缸套工作表面的儲油結(jié)構(gòu)，提高配對副的摩擦學(xué)性能在氣缸套-活塞環(huán)工作過程中，由于靠近燃燒室以及活塞相對運動速度慢等原因，上止點位置的潤滑狀態(tài)惡劣，基本處于邊界潤滑或干摩擦狀態(tài)，極易發(fā)生拉缸故障。通過在氮化氣缸套表面加工微織構(gòu)，一方面可以改善潤滑油膜分布狀態(tài)，另一方面可以釋放應(yīng)力，減小變形，從而提高摩擦副的摩擦磨損性能。本文采用Nd-YAG脈沖激光器在氮化氣缸套表面制備微織構(gòu)，通過模擬高溫高壓的實際工況進行摩擦學(xué)試驗，研究高強化條件下氮化氣缸套織構(gòu)化對其摩擦副摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律，為微織構(gòu)在氮化氣缸套上實際應(yīng)用提供試驗支持。1測試1.1氣缸套表面微織構(gòu)氣缸套試樣從氮化氣缸套上切取。取內(nèi)徑110mm、壁厚6mm的氮化氣缸套，沿圓周方向以9(°)/份進行切割，軸向長度為42mm。圖1為氣缸套-活塞環(huán)試樣的表面形貌圖，從表面形貌圖(圖1a)可知，氮化氣缸套表面珩磨紋理清晰，細珩磨較多，粗珩磨紋較少且粗細珩磨紋相間分布。PVD活塞環(huán)氮化鉻涂層表面有微坑，以及沿圓周方向的細小磨痕(圖1b)。氣缸套表面微織構(gòu)采用Nd-YAG脈沖激光器系統(tǒng)制備，主要由冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、激光器、信號發(fā)生器、四維電動平移臺組成。激光器的最大輸出功率為100W，波長1060nm，脈沖寬度1μs，光斑直徑100μm，焦距80mm，在聚焦平面內(nèi)激光束能量密度呈高斯分布，具體參數(shù)見表1。采用自主研制的對置往復(fù)式摩擦磨損試驗機1.2抗拉缸試驗測試摩擦磨損試驗依次進行低載磨合階段(10MPa,120℃，1h,200r/min)、高載磨損階段(50MPa,190℃，5h,200r/min)，每組試驗重復(fù)3次取平均值，其中低載磨合階段是為了去除試樣在加工過程中產(chǎn)生的毛刺、銳邊等缺陷，主要通過高載磨損階段來檢驗?zāi)Σ粮钡哪Σ聊p性能。通過抗拉缸試驗來測試織構(gòu)面積占有率對氣缸套抗拉缸性能的影響?？估自囼炓来芜M行低載磨合階段(10MPa,150℃，15min,200r/min)、高載磨損階段I(50MPa,150℃，120min,200r/min)，高載磨損階段II(50MPa,220℃，5min,200r/min)，斷油拉缸階段，每組試驗重復(fù)3次取平均值，通過拉缸時間來表征氣缸套的抗拉缸性能。采用EveroneMH-6型顯微硬度計測量硬度，施加載荷為100gf，保壓時間為5s。采用OLYMPUSLEXTOLS400型激光共聚焦顯微鏡(LSM)觀察微坑的幾何形貌、尺寸并測量試樣磨損量，氣缸套及活塞環(huán)試樣磨損量均采用已磨損和未磨損區(qū)域的臺階高度來表征，如圖2所示，測量三次取平均值。采用ZEISS-SUPRA55SAPPHIRE型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察氣缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損形貌和拉缸形貌。1.3微紡結(jié)構(gòu)的制備1.3.1脈沖場及能量密度為了研究激光參數(shù)對微坑形貌的影響，在頻率為3kHz，振幅為4V，偏置為2V，脈沖次數(shù)為5～25次，能量密度50～300J/cm1.3.2微織構(gòu)的制備通過激光參數(shù)對微坑形貌的影響規(guī)律研究，采用直徑120μm、深度40μm的參數(shù)進行面積占有率為5%、10%、15%的微織構(gòu)制備。圖4為面積占有率為10%的微織構(gòu)表面形貌圖，由圖可知，微織構(gòu)宏觀上呈現(xiàn)規(guī)則的圓形，織構(gòu)形貌陣列整齊，間距均勻，無明顯加工缺陷。2試驗結(jié)果和分析2.1織構(gòu)化氣缸套試樣的熱影響區(qū)分析通過在氮化氣缸套表面進行激光輻照處理，能量極高的激光束將氣缸套表面的材料熔融拋出形成微坑結(jié)構(gòu)，在微坑之間的材料因為受到激光加工高溫的影響而產(chǎn)生二次回火現(xiàn)象，在氣缸套表面織構(gòu)區(qū)域產(chǎn)生熱影響區(qū)，從而使材料表面硬度等力學(xué)性能發(fā)生變化。圖5為無織構(gòu)氣缸套試樣和織構(gòu)氣缸套試樣往復(fù)運動止點位置的硬度柱狀圖，其中織構(gòu)氣缸套試樣硬度測量點1～5為沿止點區(qū)域微坑徑向分布的位置，無織構(gòu)氣缸套試樣缸套硬度測量點1～5為織構(gòu)氣缸套試樣測量點1～5的對應(yīng)區(qū)域。可以看出，加工織構(gòu)氣缸套試樣的硬度要顯著高于未加工織構(gòu)氣缸套試樣，原始氣缸套試樣硬度約為1100kg/mm2.2微紡結(jié)構(gòu)對氣閥葉片摩擦磨損性能的影響2.2.1織構(gòu)氣缸套減摩效果分析圖6為面積占有率5%～15%時微織構(gòu)對氣缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損性能影響圖，圖6a為50MPa下摩擦因數(shù)隨時間變化圖。由圖可知，氣缸套摩擦因數(shù)在高載階段數(shù)值較大，隨著磨合過程進行，摩擦因數(shù)逐漸降低，在后期趨于平穩(wěn)。不同面積占有率織構(gòu)氣缸套都具有一定的減摩效果，摩擦因數(shù)均低于無織構(gòu)氣缸套。與無織構(gòu)摩擦副相比，織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)均出現(xiàn)不同程度減小，面積占有率為10%的織構(gòu)摩擦因數(shù)最小，為0.109，與無織構(gòu)氣缸套摩擦因數(shù)0.139相比，降低了21.58%。面積占有率5%和15%的織構(gòu)氣缸套摩擦因數(shù)分別為0.125、0.121，摩擦因數(shù)降低率分別為10.07%、12.95%(圖6b)。圖6c、6d不同面積占有率摩擦副氣缸套與活塞環(huán)磨損量。結(jié)果顯示不同面積占有率微織構(gòu)均能夠提高摩擦副的抗磨損性能，與無織構(gòu)摩擦副相比，織構(gòu)摩擦副氣缸套和活塞環(huán)的磨損量均顯著減小，并在面積占有率為10%時，織構(gòu)氣缸套和活塞環(huán)磨損量均取得最小值，分別為1.428μm、4.013μm，相比于無織構(gòu)摩擦副的2.654μm、8.124μm，磨損量分別降低了46.19%和50.6%。2.2.2磨損表面的磨損和干磨痕為了分析微織構(gòu)對氣缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損性能的影響，采用掃描電子顯微鏡觀察其表面磨損形貌。圖7為無織構(gòu)及面積占有率10%織構(gòu)氣缸套-活塞環(huán)摩擦副表面磨損形貌。由圖可知，無織構(gòu)氣缸套表面磨損相對較重，存在明顯的磨痕，磨損表面還存在小塊裂紋和片狀脫落的現(xiàn)象，黏著磨損現(xiàn)象明顯(見圖7a);而織構(gòu)氣缸套表面珩磨紋仍清晰可見，存在因犁溝效應(yīng)造成的輕微塑性流動，基體表面磨痕較輕(見圖7b);與無織構(gòu)氣缸套配對的活塞環(huán)試樣，存在沿著滑動方向很深的磨痕(見圖7c)，而與織構(gòu)氣缸套配對的活塞環(huán)試樣，磨損表面磨痕相對較輕，只存在輕微的塑性流變(見圖7d)。通過對氣缸套-活塞環(huán)磨損表面分析發(fā)現(xiàn)，表面織構(gòu)對氣缸套具有良好的減摩抗磨效果，這是由于氣缸套-活塞環(huán)摩擦副在磨損過程中會產(chǎn)生磨屑，磨屑經(jīng)過擠壓會形成硬度更高的磨粒，與摩擦副表面形成三體磨損，磨粒不斷擠壓摩擦副表面，產(chǎn)生疲勞裂紋，發(fā)生局部脫落2.3微紡結(jié)構(gòu)對氣閥套的性能的影響2.3.1同面積電阻率圖8為面積占有率為5%～15%微織構(gòu)對氣缸套-活塞環(huán)摩擦副抗拉缸性能影響，圖8a為抗拉缸試驗?zāi)Σ亮ψ兓瘓D，由圖可知，不同面積占有率氣缸套在高載磨合后期摩擦力保持平穩(wěn)，在停止供油之后緩慢上升，維持短暫平穩(wěn)后急劇上升，此時摩擦副表面發(fā)生拉缸。圖8b為4種氣缸套拉缸時間圖，由圖可見，織構(gòu)氣缸套的拉缸時間均優(yōu)于無織構(gòu)氣缸套的拉缸時間，其中面積占有率為15%和10%氣缸套拉缸時間較長，分別為48min和47.5min，相比于無織構(gòu)氣缸套的17min，拉缸時間提高了2.8倍。2.3.2拉拔試驗結(jié)果通過對面積占有率為10%的織構(gòu)氣缸套-活塞環(huán)摩擦副與無織構(gòu)氣缸套-活塞環(huán)摩擦副進行對比，分析織構(gòu)對氣缸套抗拉缸性能的影響。圖9為氣缸套-活塞環(huán)摩擦副表面拉缸形貌圖。由圖可知，無織構(gòu)氣缸套發(fā)生嚴重的塑性變形，深度黏著使基體出現(xiàn)剝落、撕裂的現(xiàn)象(見圖9a);織構(gòu)氣缸套表面珩磨紋基本消失，微坑周圍存在點狀脫落現(xiàn)象，拉缸區(qū)域出現(xiàn)明顯的溝壑，表層基本保持完好，失去表層的表面沿滑動方向發(fā)生塑性流動(見圖9b);對于無織構(gòu)氣缸套配對的活塞環(huán)試樣，拉缸區(qū)域發(fā)生嚴重的塑性變形以及沿著滑動方向較深的溝槽，活塞環(huán)出現(xiàn)開裂和脫落現(xiàn)象(見圖9c);而織構(gòu)氣缸套配對的活塞環(huán)試樣，沿滑動方向的溝槽深度相對較輕，活塞環(huán)開裂程度明顯減輕(見圖9d)。對氣缸套-活塞環(huán)摩擦副拉缸區(qū)域的典型形貌進行分析發(fā)現(xiàn)，無織構(gòu)氣缸套及配套活塞環(huán)表面磨損程度較織構(gòu)氣缸套和活塞環(huán)更為嚴重，說明織構(gòu)氣缸套摩擦副的抗拉缸性能要優(yōu)于無織構(gòu)摩擦副。這是由于在高載磨合結(jié)束后，即斷油開始后，織構(gòu)內(nèi)儲存的潤滑油依然可以對摩擦副起到保護作用，在氣缸套表面發(fā)生拉缸現(xiàn)象時，氣缸套表面脫落的基體會隨著摩擦副的運動進入微坑內(nèi)部，減少摩擦表面的磨粒磨損。面積占有率的不同主要體現(xiàn)在微坑間距的變化，當織構(gòu)面積占有率為5%時，微坑間距較大，潤滑油貯存能力較低，不利于形成穩(wěn)定的潤滑油膜，同時由于間距較大，摩擦副表面磨損過程中產(chǎn)生的磨屑不能及時被捕捉，使摩擦副減磨效果較弱;而當織構(gòu)面積占有率增大到15%時，微坑之間間距變小，雖然織構(gòu)摩擦副的貯油能力及捕捉磨屑能力得到增強，但也增大了氣缸套的表面粗糙度，導(dǎo)致氣缸套-活塞環(huán)之間潤滑油的流體動壓效應(yīng)減弱。只有適當?shù)奈⒖娱g距(面積占有率為10%時)才能形成穩(wěn)定的潤滑油膜，增加氣缸套的減摩抗磨能力。圖10為合適的微坑間距時織構(gòu)氣缸套-活塞環(huán)摩擦副減摩機理圖。由圖可知，在適當?shù)奈⒖娱g距下(面積占有率為10%時)，微坑既能夠向接觸端面補充潤滑油，提高油膜承載能力;同時收集摩擦副滑動過程中磨損產(chǎn)生的磨粒，減少磨粒磨損傾向，又能夠有效地降低氣缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦因數(shù)及磨損量，延長拉缸時間，改善其摩擦磨損性能。3最低抗拉缸性能隨激光能