激光微织构化表面织构化对摩擦副摩擦学性能的影响

激光微织构化表面织构化对摩擦副摩擦学性能的影响

0织构化的应用高增长是世界上军用工具和燃料内燃动力技术发展的必然趋势。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，显著减少CO高强化对柴油机摩擦副活塞环-气缸套摩擦副在高温、高压和高冲击载荷环境中的摩擦磨损性能提出更高要求。表面织构技术作为一种改善摩擦副摩擦磨损性能的有效手段，在活塞环-气缸套摩擦副上的应用也逐渐受到关注相对于在缸套上制备微织构，在活塞环上制备具有加工面积小、加工时间短、织构易于制备等优点。RYK等织构参数对摩擦副摩擦学行为的影响主要包括直径、深度、面积占有率、位置等方面。排布角度也是影响织构改善摩擦学性能的重要参数，占剑等在高强化条件下，气缸套-活塞环摩擦副承受的温度、载荷以及转速等工况条件均恶化，导致织构参数对摩擦副摩擦学性能的改善作用发生变化。故以CKS活塞环-铸铁缸套为对象，采用Nd-YAG激光器在CKS活塞环表面制备不同参数的织构阵列，研究高强化条件下活塞环织构化对摩擦副摩擦磨损性能的作用规律，为实现发动机节能减排提供试验支持。1测试1.1油钢缸套层压铸件的表面形貌活塞环试样从CKS(铬基陶瓷复合镀)活塞环上切取，活塞环外径110mm，环高3mm，桶面高度10μm，沿圆周方向等切20份。气缸套试样从硼磷合金铸铁缸套上切取，内径110mm，壁厚10mm，沿圆周方向等切40份，切割长度为43mm。图1给出了CKS活塞环的表面形貌及截面形貌。由图1可见，网纹内镶嵌有陶瓷颗粒(图1a);镀层厚度约为60μm，垂直于镀层表面分布着细小的黑色条纹(图1b)。CKS活塞环镀层的平均硬度为758HV采用自制的往复式摩擦磨损试验机1.2试验方法和过程为了模拟高强化柴油机工况条件和加速试验，试验条件的载荷和温度要大于实际工况下的载荷、温度;采用富油试验测试激光微织构对活塞环-气缸套摩擦副摩擦磨损性能的影响，富油试验分为两个阶段:低载磨合阶段和高载磨损阶段，低载磨合阶段是为了去除试样在加工过程中产生的毛刺、锐边等缺陷，以及激光加工过程中微坑四周产生的冷凝物。高载磨损阶段检验摩擦副的摩擦磨损性能;不同试验阶段的转速、润滑油供给速度等参数见表1。(1)表面形貌分析(LSM、SEM)采用日本奥林巴斯公司的OLYMPUS-OLS4000三维共聚焦激光扫描显微镜分析微坑的形貌、尺寸，并测量试样表面磨损区域与未磨区域边界的台阶高度差值来表征其线磨损量。采用德国卡尔蔡司公司的ZEISS-SUPRA55SAPPHIRE型场发射扫描电子显微镜，分析摩擦副表面的微观形貌。(2)表面化学成分分析(EDX)采用美国伊达克斯公司生产的超薄窗X射线能谱仪，分析试验后摩擦副表面元素的组成与分布。1.3活塞环表面的微纺结构制备采用Nd-YAG激光器在活塞环表面进行微织构制备，光斑直径为100μm，激光波长1064nm，脉冲宽度1ms。1.3.1激光的能量密度和脉冲次数激光参数对于微织构的几何尺寸有着重要的影响，激光的能量密度和脉冲次数是两个极为重要的参数。在重复频率3KHz，采用脉冲次数为5～30次，能量密度为40～160J/cm1.3.2织构材料的硬度激光加工还会对活塞环硬度产生影响，图5给出了原始及织构活塞环距微坑不同距离处表面硬度金相照片，图6给出了图5中各点对应的维氏硬度值，由图5、6可知，织构活塞环的平均硬度比无织构的原始活塞环平均硬度高约100HV0.1，且随着与微坑距离的增加硬度逐渐下降，这可能是因为激光在加工织构时，会在活塞环表面产生热影响区，进而改变织构附近的硬度，从而影响摩擦磨损性能。1.3.3．微坑设置根据图4激光参数与微坑直径、深度的关系，制备直径为110、130、150μm，深度20、30、40、50μm的微坑;以微坑直径、深度、面积占有率和排布角度为激光微织构参数，利用摩擦磨损试验对微织构参数进行优化，具体试验参数如表2。2试验结果与讨论2.1微织构直径、形态分析图7为无织构及微坑直径分别为110、130、150μm的活塞环分别与气缸套配对的摩擦因数及磨损量;图7a为高载阶段摩擦副的摩擦因数随时间的变化趋势，可以看出4种不同摩擦副的摩擦因数均随着磨损时间延长逐渐下降，并达到稳定。其中直径为130μm织构摩擦副达到稳定所需要的时间最短;图7b为4种摩擦副的平均摩擦因数，是选取试验平稳后期的1000个往复循环摩擦力最大值的平均值，除以法向压力得到平均系数。由图可知，无织构摩擦副的摩擦因数最大，为0.099。所有微织构活塞环-气缸套摩擦副的平均摩擦因数均小于无织构的摩擦副，直径为130μm时，织构摩擦副平均摩擦因数最小，约为0.085;图7c、7d分别为活塞环和气缸套的磨损量，由图可知，具有织构的摩擦副其活塞环和缸套的磨损量均显著低于无织构摩擦副，无织构摩擦副的活塞环、气缸套的磨损量分别达到5.35μm和3.44μm，织构摩擦副的活塞环、气缸套磨损量均在微坑直径为130μm微织构时取得最小值，分别为3.14μm和1.83μm，降幅分别可达41.3%和46.5%。图8为无织构及微坑深度分别为20、30、40、50μm的活塞环与气缸套配对的摩擦因数及磨损量;图8a显示在高载阶段，不同微坑深度摩擦副摩擦因数随时间变化规律与直径对微织构活塞环摩擦副摩擦因数影响规律类似;5种不同的摩擦副的瞬时摩擦因数曲线都有下降趋势，深度为20、50μm微织构的摩擦副其曲线下降趋势明显滞后;图8b为不同深度微织构的平均摩擦因数图，由图可见，不同微坑深度条件下织构摩擦副的摩擦因数均低于无织构摩擦副。织构摩擦副的摩擦因数随微坑深度增加先减小后增加，在微坑深度为30μm时，摩擦因数取得最小值;图8c、8d分别为活塞环和气缸套的磨损量，无织构摩擦副的活塞环、缸套的磨损量最大，织构摩擦副活塞环、缸套磨损量均在微坑深度为30μm微织构时取得最小值。2.2微织构结构对磨损量的影响图9为无织构及织构排布角度分别为0°、30°、60°的织构活塞环与气缸套配对的摩擦因数及磨损量;图9a显示在高载阶段，与排布角度为0°及无织构摩擦副摩擦因数随时间变化不同，微织构排布角度为30°、60°的摩擦副摩擦因数无明显下降趋势;图9b为不同排布角度微织构摩擦副的平均摩擦因数图，由图可知，随着织构排布角度增加，织构摩擦副的摩擦因数逐渐增大，排布角度为30°和60°微织构摩擦副的平均摩擦因数均高于无织构摩擦副，其平均摩擦因数分别为0.134及0.146;图9c、9d分别为活塞环和气缸套的磨损量，与排布角度对平均摩擦因数影响相似，活塞环与气缸套的磨损量均随织构排布角度增加而增大，排布角度为30°和60°微织构摩擦副所对应的活塞环、气缸套磨损量均大于无织构摩擦副，其中排布角度为60°微织构摩擦副活塞环、气缸套磨损量最大，分别达到5.72μm和3.51μm。图10为无织构及微织构面积占有率分别为3%、5%、7%、9%的活塞环与气缸套配对的摩擦因数及磨损量;图10a为在高载阶段5种面积占有率摩擦副摩擦因数随时间变化，摩擦因数均随时间延长逐渐降低并保持稳定状态;图10b为5种面积占有率的平均摩擦因数，由图可见，织构摩擦副的摩擦因数随织构面积占有率增加呈先增大后减小趋势，当面积占有率为5%时活塞环-气缸套摩擦副的摩擦因数最小;织构摩擦副的摩擦因数均低于无织构摩擦副;图10c、10d分别为5种面积占有率微织构活塞环和气缸套的磨损量。可以看出，面积占有率对活塞环和气缸套磨损量的影响与其对平均摩擦因数的影响规律相同，均呈先减小后增加趋势，织构摩擦副中活塞环与气缸套的磨损量均低于无织构摩擦副。2.3微织构表面能谱分析图11为无织构及微坑直径130μm、深度30μm、角度0°面积占有率为5%微织构活塞环与气缸套配对时表面磨损形貌。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11a)。与无织构活塞环配对的气缸套表面有明显的磨损痕迹，珩磨纹变得模糊，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11b);图11c、11d为微坑直径130μm、深度30μm、角度0°面积占有率为5%微织构活塞环及其配对副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11c)，这可能是由于摩擦试验过程中润滑油(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12为无织构及微坑直径130μm、深度30μm、角度0°面积占有率为5%微织构活塞环与气缸套配对时共聚焦表面形貌照片。由图可知，无织构活塞环磨损后试样表面整体划痕区域面积巨大且连续(图12a);与无织构活塞环配对的气缸套表面沿摩擦副相对运动方向存在水平磨损痕迹，且磨痕较为密集;气缸套表面珩磨纹因为基体变形有消失、填平迹象(图12b)。图12c、12d为微坑直径130μm、深度30μm、角度0°面积占有率为5%微织构活塞环及其配对副缸套磨损试样的共聚焦表面形貌照片，由图可见，织构活塞环表面沿运动方向存在磨痕，但磨痕区域相对无织构活塞环较少，并不密集，而微坑周边发生轻微形变(图12c)。与织构活塞环配对的气缸套表面磨痕相较轻微，珩磨纹发生形变程度也相对较轻。微织构具有储油功能，在摩擦试验过程中油膜承载力及分布是影响摩擦副摩擦学性能的重要因素。在摩擦副往复运动过程中，微坑中润滑油随摩擦副向坑壁流动，在微坑内部靠近微坑一侧形成收敛间隙，提高油膜承载能力，强化了动压效应，降低了微织构摩擦副的摩擦因数3磨损性能分