激光织构对氮化气缸套-活塞环摩擦学性能的影响

激光织构对氮化气缸套-活塞环摩擦学性能的影响

0织构化气缸套材料氮气泵的良好耐碱性、耐腐蚀性和良好的耐候性引起了国内外科学家的关注。表面织构技术作为一种能够改善摩擦副摩擦磨损性能的表面改性方法，在气缸套-活塞环摩擦副上的应用也受到广泛关注微织构的面积占有率等织构参数是影响材料摩擦磨损性能的重要参数，合适的织构参数能优化内燃机气缸套工作表面的储油结构，提高配对副的摩擦学性能在气缸套-活塞环工作过程中，由于靠近燃烧室以及活塞相对运动速度慢等原因，上止点位置的润滑状态恶劣，基本处于边界润滑或干摩擦状态，极易发生拉缸故障。通过在氮化气缸套表面加工微织构，一方面可以改善润滑油膜分布状态，另一方面可以释放应力，减小变形，从而提高摩擦副的摩擦磨损性能。本文采用Nd-YAG脉冲激光器在氮化气缸套表面制备微织构，通过模拟高温高压的实际工况进行摩擦学试验，研究高强化条件下氮化气缸套织构化对其摩擦副摩擦学性能的影响规律，为微织构在氮化气缸套上实际应用提供试验支持。1测试1.1气缸套表面微织构气缸套试样从氮化气缸套上切取。取内径110mm、壁厚6mm的氮化气缸套，沿圆周方向以9(°)/份进行切割，轴向长度为42mm。图1为气缸套-活塞环试样的表面形貌图，从表面形貌图(图1a)可知，氮化气缸套表面珩磨纹理清晰，细珩磨较多，粗珩磨纹较少且粗细珩磨纹相间分布。PVD活塞环氮化铬涂层表面有微坑，以及沿圆周方向的细小磨痕(图1b)。气缸套表面微织构采用Nd-YAG脉冲激光器系统制备，主要由冷却系统、控制系统、激光器、信号发生器、四维电动平移台组成。激光器的最大输出功率为100W，波长1060nm，脉冲宽度1μs，光斑直径100μm，焦距80mm，在聚焦平面内激光束能量密度呈高斯分布，具体参数见表1。采用自主研制的对置往复式摩擦磨损试验机1.2抗拉缸试验测试摩擦磨损试验依次进行低载磨合阶段(10MPa,120℃，1h,200r/min)、高载磨损阶段(50MPa,190℃，5h,200r/min)，每组试验重复3次取平均值，其中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，主要通过高载磨损阶段来检验摩擦副的摩擦磨损性能。通过抗拉缸试验来测试织构面积占有率对气缸套抗拉缸性能的影响。抗拉缸试验依次进行低载磨合阶段(10MPa,150℃，15min,200r/min)、高载磨损阶段I(50MPa,150℃，120min,200r/min)，高载磨损阶段II(50MPa,220℃，5min,200r/min)，断油拉缸阶段，每组试验重复3次取平均值，通过拉缸时间来表征气缸套的抗拉缸性能。采用EveroneMH-6型显微硬度计测量硬度，施加载荷为100gf，保压时间为5s。采用OLYMPUSLEXTOLS400型激光共聚焦显微镜(LSM)观察微坑的几何形貌、尺寸并测量试样磨损量，气缸套及活塞环试样磨损量均采用已磨损和未磨损区域的台阶高度来表征，如图2所示，测量三次取平均值。采用ZEISS-SUPRA55SAPPHIRE型场发射扫描电子显微镜观察气缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损形貌和拉缸形貌。1.3微纺结构的制备1.3.1脉冲场及能量密度为了研究激光参数对微坑形貌的影响，在频率为3kHz，振幅为4V，偏置为2V，脉冲次数为5～25次，能量密度50～300J/cm1.3.2微织构的制备通过激光参数对微坑形貌的影响规律研究，采用直径120μm、深度40μm的参数进行面积占有率为5%、10%、15%的微织构制备。图4为面积占有率为10%的微织构表面形貌图，由图可知，微织构宏观上呈现规则的圆形，织构形貌阵列整齐，间距均匀，无明显加工缺陷。2试验结果和分析2.1织构化气缸套试样的热影响区分析通过在氮化气缸套表面进行激光辐照处理，能量极高的激光束将气缸套表面的材料熔融抛出形成微坑结构，在微坑之间的材料因为受到激光加工高温的影响而产生二次回火现象，在气缸套表面织构区域产生热影响区，从而使材料表面硬度等力学性能发生变化。图5为无织构气缸套试样和织构气缸套试样往复运动止点位置的硬度柱状图，其中织构气缸套试样硬度测量点1～5为沿止点区域微坑径向分布的位置，无织构气缸套试样缸套硬度测量点1～5为织构气缸套试样测量点1～5的对应区域。可以看出，加工织构气缸套试样的硬度要显著高于未加工织构气缸套试样，原始气缸套试样硬度约为1100kg/mm2.2微纺结构对气阀叶片摩擦磨损性能的影响2.2.1织构气缸套减摩效果分析图6为面积占有率5%～15%时微织构对气缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损性能影响图，图6a为50MPa下摩擦因数随时间变化图。由图可知，气缸套摩擦因数在高载阶段数值较大，随着磨合过程进行，摩擦因数逐渐降低，在后期趋于平稳。不同面积占有率织构气缸套都具有一定的减摩效果，摩擦因数均低于无织构气缸套。与无织构摩擦副相比，织构摩擦副的摩擦因数均出现不同程度减小，面积占有率为10%的织构摩擦因数最小，为0.109，与无织构气缸套摩擦因数0.139相比，降低了21.58%。面积占有率5%和15%的织构气缸套摩擦因数分别为0.125、0.121，摩擦因数降低率分别为10.07%、12.95%(图6b)。图6c、6d不同面积占有率摩擦副气缸套与活塞环磨损量。结果显示不同面积占有率微织构均能够提高摩擦副的抗磨损性能，与无织构摩擦副相比，织构摩擦副气缸套和活塞环的磨损量均显著减小，并在面积占有率为10%时，织构气缸套和活塞环磨损量均取得最小值，分别为1.428μm、4.013μm，相比于无织构摩擦副的2.654μm、8.124μm，磨损量分别降低了46.19%和50.6%。2.2.2磨损表面的磨损和干磨痕为了分析微织构对气缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损性能的影响，采用扫描电子显微镜观察其表面磨损形貌。图7为无织构及面积占有率10%织构气缸套-活塞环摩擦副表面磨损形貌。由图可知，无织构气缸套表面磨损相对较重，存在明显的磨痕，磨损表面还存在小块裂纹和片状脱落的现象，黏着磨损现象明显(见图7a);而织构气缸套表面珩磨纹仍清晰可见，存在因犁沟效应造成的轻微塑性流动，基体表面磨痕较轻(见图7b);与无织构气缸套配对的活塞环试样，存在沿着滑动方向很深的磨痕(见图7c)，而与织构气缸套配对的活塞环试样，磨损表面磨痕相对较轻，只存在轻微的塑性流变(见图7d)。通过对气缸套-活塞环磨损表面分析发现，表面织构对气缸套具有良好的减摩抗磨效果，这是由于气缸套-活塞环摩擦副在磨损过程中会产生磨屑，磨屑经过挤压会形成硬度更高的磨粒，与摩擦副表面形成三体磨损，磨粒不断挤压摩擦副表面，产生疲劳裂纹，发生局部脱落2.3微纺结构对气阀套的性能的影响2.3.1同面积电阻率图8为面积占有率为5%～15%微织构对气缸套-活塞环摩擦副抗拉缸性能影响，图8a为抗拉缸试验摩擦力变化图，由图可知，不同面积占有率气缸套在高载磨合后期摩擦力保持平稳，在停止供油之后缓慢上升，维持短暂平稳后急剧上升，此时摩擦副表面发生拉缸。图8b为4种气缸套拉缸时间图，由图可见，织构气缸套的拉缸时间均优于无织构气缸套的拉缸时间，其中面积占有率为15%和10%气缸套拉缸时间较长，分别为48min和47.5min，相比于无织构气缸套的17min，拉缸时间提高了2.8倍。2.3.2拉拔试验结果通过对面积占有率为10%的织构气缸套-活塞环摩擦副与无织构气缸套-活塞环摩擦副进行对比，分析织构对气缸套抗拉缸性能的影响。图9为气缸套-活塞环摩擦副表面拉缸形貌图。由图可知，无织构气缸套发生严重的塑性变形，深度黏着使基体出现剥落、撕裂的现象(见图9a);织构气缸套表面珩磨纹基本消失，微坑周围存在点状脱落现象，拉缸区域出现明显的沟壑，表层基本保持完好，失去表层的表面沿滑动方向发生塑性流动(见图9b);对于无织构气缸套配对的活塞环试样，拉缸区域发生严重的塑性变形以及沿着滑动方向较深的沟槽，活塞环出现开裂和脱落现象(见图9c);而织构气缸套配对的活塞环试样，沿滑动方向的沟槽深度相对较轻，活塞环开裂程度明显减轻(见图9d)。对气缸套-活塞环摩擦副拉缸区域的典型形貌进行分析发现，无织构气缸套及配套活塞环表面磨损程度较织构气缸套和活塞环更为严重，说明织构气缸套摩擦副的抗拉缸性能要优于无织构摩擦副。这是由于在高载磨合结束后，即断油开始后，织构内储存的润滑油依然可以对摩擦副起到保护作用，在气缸套表面发生拉缸现象时，气缸套表面脱落的基体会随着摩擦副的运动进入微坑内部，减少摩擦表面的磨粒磨损。面积占有率的不同主要体现在微坑间距的变化，当织构面积占有率为5%时，微坑间距较大，润滑油贮存能力较低，不利于形成稳定的润滑油膜，同时由于间距较大，摩擦副表面磨损过程中产生的磨屑不能及时被捕捉，使摩擦副减磨效果较弱;而当织构面积占有率增大到15%时，微坑之间间距变小，虽然织构摩擦副的贮油能力及捕捉磨屑能力得到增强，但也增大了气缸套的表面粗糙度，导致气缸套-活塞环之间润滑油的流体动压效应减弱。只有适当的微坑间距(面积占有率为10%时)才能形成稳定的润滑油膜，增加气缸套的减摩抗磨能力。图10为合适的微坑间距时织构气缸套-活塞环摩擦副减摩机理图。由图可知，在适当的微坑间距下(面积占有率为10%时)，微坑既能够向接触端面补充润滑油，提高油膜承载能力;同时收集摩擦副滑动过程中磨损产生的磨粒，减少磨粒磨损倾向，又能够有效地降低气缸套-活塞环摩擦副的摩擦因数及磨损量，延长拉缸时间，改善其摩擦磨损性能。3最低抗拉缸性能随激光能