張學(xué)成 饒 響 呂永剛 郭智威

(1.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 湖北武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)船舶與能源動力工程學(xué)院 湖北武漢 430063)

缸套-活塞環(huán)是柴油機能量轉(zhuǎn)換和動力輸出的核心部件，其性能好壞對柴油機的工作效率和使用壽命等都有著重大的影響[1-2]。相關(guān)研究結(jié)果表明，缸套-活塞環(huán)的摩擦功耗占整個柴油機摩擦功耗的25%～50%[3]。因此缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)特性直接影響著柴油機的經(jīng)濟性和可靠性，如何實現(xiàn)其潤滑減摩一直是該領(lǐng)域研究的熱點[4]。表面改性技術(shù)能以較低的成本使缸套獲得耐高溫、低摩擦、耐磨損等性能，是提升柴油機經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的有效手段。雙輝光離子滲金屬技術(shù)是在離子氮化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型表面改性技術(shù)，與傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)相比，可以在表面獲得結(jié)合力強、表面質(zhì)量好的合金層，顯著改變材料表面性能[5]，對缸套-活塞環(huán)摩擦副的主動優(yōu)化設(shè)計、摩擦損失的降低、使用壽命的延長等具有十分重大的意義。

相關(guān)研究表明，在硬的金屬基體中分布軟質(zhì)點可以形成一種理想的減摩耐磨組織[6]。銅作為常見的軟金屬，有剪切強度較低、且在一定條件下能發(fā)生晶間滑移的特點，可作為固體潤滑材料應(yīng)用于摩擦學(xué)領(lǐng)域，不僅能夠降低材料的摩擦因數(shù)和磨損率，而且能夠使材料維持卓越的機械性能[7-8]。SHIN等[9]將Cu摻入Mo-N涂層，使Mo-N涂層的摩擦性能得到了明顯改善，隨著Cu含量的增加，涂層的摩擦因數(shù)由0.40降低到0.21。VERMA等[10]在室溫和高溫下研究了Cu對高熵合金微觀結(jié)構(gòu)演化和磨損的影響，發(fā)現(xiàn)Cu在高溫下存在自潤滑行為，有效降低了合金磨損率。李斌等人[11]研究了活塞環(huán)Cu-Sn鍍層對缸套摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)Cu-Sn鍍層有助于改善摩擦狀態(tài)，提高缸套的摩擦磨損性能。此外，微米及納米尺度的銅還常用作潤滑油添加劑。TARASOV等[12]將制備的納米Cu顆粒應(yīng)用于潤滑油中，提高了潤滑油的承載能力，使摩擦副磨損率降低70%以上。于鶴龍等[13]考察了納米銅顆粒作為50CC潤滑油添加劑的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)添加納米銅的潤滑油有更優(yōu)秀的耐磨減摩性能，可以在摩擦表面形成低剪切強度的銅保護膜。繆晨煒等[14]研究了溝槽與凹坑織構(gòu)的耦合作用對缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)缸套材料中的Cu與耦合織構(gòu)協(xié)同作用對缸套-活塞環(huán)的減摩耐磨起到了一定的促進作用。

然而現(xiàn)有文獻中對金屬銅對缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能影響的研究大多著眼于活塞環(huán)表面鍍層及潤滑油方面，對缸套表面改性的研究鮮有報道。本文作者使用雙輝光離子滲透技術(shù)在缸套試樣表面制備了不同厚度的滲銅層，在不同載荷、不同潤滑條件下進行了模擬試驗，研究滲銅改性對缸套-活塞環(huán)摩擦性能的影響，為優(yōu)化缸套-活塞環(huán)表面結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)性能提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

結(jié)合實際柴油機缸套-活塞環(huán)使用的材料，上試樣選用活塞環(huán)常用材料HT300鑄鐵，加工成直徑6.36 mm、高度16 mm的銷；下試樣材料選用船用柴油機缸套常用材料QT500-7鑄鐵，加工成43 mm×12 mm×5 mm長方形盤，并使用砂紙對其進行打磨，控制摩擦面的粗糙度Ra小于0.2 μm，用無水乙醇超聲波清洗后準備滲鍍。

滲鍍加工在雙輝光等離子滲金屬爐中進行，工作氣體為高純氬氣，背底真空度為1×10-2Pa。源極金屬為高純度的粉末冶金Cu板，加工采用脈沖放電模式，源極采用直流電源，試樣采用脈沖電源，加工設(shè)備如圖1所示。雙輝光離子滲金屬技術(shù)的原理和應(yīng)用見文獻[15]。通過控制滲透時間使試樣表面形成不同厚度的滲銅層，具體工藝參數(shù)見表1。滲透時間為3、5、7 h時制備的試樣分別用S1、S2、S3表示。

圖1 雙輝光等離子滲金屬爐

表1 雙輝光離子滲銅工藝參數(shù)

對3種表面滲銅試樣進行了合金層厚度及組織分析，如圖2所示?？梢?，試樣表面形成了均勻的合金層，未形成明顯的沉積層，滲層區(qū)基體元素和滲層銅之間有明顯的相互擴散區(qū)，形成了良好的冶金結(jié)合。在SEM下，試樣表面平整，未見明顯缺陷，形成了致密的滲層。經(jīng)由EDS能譜分析，3種試樣表面Cu質(zhì)量分數(shù)分別為15%、30%和50%，Cu含量隨厚度增加逐漸降低，形成了厚度約為20、40、60 μm的合金層。

圖2 滲銅試樣的表層結(jié)構(gòu)

1.2 試驗方法

為模擬缸套-活塞環(huán)摩擦副的往復(fù)運動形式，試驗在裝有高頻往復(fù)模塊的RTEC多功能摩擦磨損試驗機上進行。試驗時，上試樣銷由夾具固定不動，下試樣盤固定在底座上，隨底座往復(fù)運動，如圖3所示。船用發(fā)動機一般為低速二沖程柴油機，為模擬實船的低速重載的實際工況，設(shè)置往復(fù)頻率為3 Hz，對應(yīng)二沖程柴油機轉(zhuǎn)速180 r/min；載荷設(shè)為50、100 N，對應(yīng)缸套活塞環(huán)的壓力為1.57、3.15 MPa，每組試驗進行30 min。為使摩擦行為更加明顯且縮短試驗時間，潤滑劑采用70N基礎(chǔ)油，其40 ℃運動黏度為13 mm2/s。試驗前一次性將潤滑油滴注在銷盤接觸面，試驗在20 ℃室溫下進行，相對濕度為40%。

使用Tescan公司VEGA 3 XMU掃描電鏡及配套的EDS(Oxford)進行表面形貌和成分分析，通過RTEC多功能摩擦磨損試驗機自動記錄摩擦因數(shù)，使用Keyence公司VK-X3000激光共聚焦顯微鏡測量磨損體積。

圖3 試驗裝置示意

為模擬不同工況，通過控制載荷和潤滑條件將試驗分為3組，第一組使用油潤滑在50 N載荷下進行；第二組使用油潤滑在100 N載荷下進行；第三組不使用潤滑油在50 N載荷下進行，即50 N干摩擦下進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工況下滲銅試樣的摩擦因數(shù)和磨損量分析

2.1.1 不同工況下滲銅試樣的摩擦因數(shù)分析

圖4所示為不同工況下滲銅試樣的平均摩擦因數(shù)對比?？芍?，不同工況下滲銅試樣的摩擦因數(shù)均低于普通鑄鐵試樣，說明滲銅處理對摩擦副的減摩起到了積極作用，但不同工況下摩擦因數(shù)隨滲銅厚度的下降幅度和變化趨勢不同。50 N油潤滑條件下，摩擦因數(shù)隨著滲銅厚度的增加而降低，滲銅厚度為60 μm時摩擦因數(shù)最低為0.107，與未滲銅試樣相比下降了4.24%，摩擦因數(shù)平均下降2.51%；100 N油潤滑條件下，摩擦因數(shù)隨滲透銅厚度的增加先降低再升高，在滲銅厚度為40 μm時最低，為0.102，比未滲銅試樣降低了13.15%，平均下降9.33%；50 N干摩擦條件下，摩擦因數(shù)隨滲透銅厚度的增加先降低再升高，但與100 N油潤滑條件不同的是摩擦因數(shù)在滲銅厚度為20 μm時最低，為0.163，比未滲銅試樣降低了30.86%，平均下降22.77%。油潤滑條件下，滲銅層在50 N工況下的減摩效果并不理想，但在100 N下顯著降低了摩擦因數(shù)，說明較高載荷有利于滲銅層發(fā)揮減摩作用；相同載荷條件下，干摩擦條件下滲銅層的減摩作用更加明顯，可大幅降低摩擦因數(shù)，說明滲銅層可滿足潤滑不良環(huán)境下的減摩要求；不同工況下，摩擦因數(shù)的變化趨勢和最小摩擦因數(shù)對應(yīng)的滲銅厚度不同，說明滲銅層的厚度和其減摩作用并不是簡單的線性關(guān)系，選擇合適的滲銅厚度才能實現(xiàn)減摩目的。

圖4 不同工況下滲銅試樣的平均摩擦因數(shù)

圖5所示為試驗過程中，不同工況下滲銅試樣摩擦因數(shù)隨時間的變化。在油潤滑環(huán)境下，未滲銅試樣在不同載荷下試驗后期摩擦因數(shù)均出現(xiàn)明顯波動，這是因為隨著試驗的進行，大量硬質(zhì)磨粒進入潤滑油液，加之接觸界面上的潤滑油不斷損失，在試驗后期難以形成穩(wěn)定的油膜，摩擦因數(shù)出現(xiàn)較大波動[16]。油潤滑環(huán)境下滲銅試樣在試驗過程中摩擦因數(shù)波動較小，說明在試驗過程中，滲銅層對油膜的產(chǎn)生和維持起到了積極作用，此外滲銅層表面還可能形成了其他類型的減摩膜，與油膜共同參與摩擦。具體來看，50 N油潤滑條件下，3種不同厚度滲銅層的減摩效果相近，試驗穩(wěn)定后摩擦因數(shù)波動較小，區(qū)分度不明顯，但均起到了穩(wěn)定摩擦因數(shù)的作用；100 N油潤滑條件下，20和40 μm厚度滲銅試樣的摩擦因數(shù)隨著試驗的進行逐漸升高，60 μm厚度滲銅試樣的初始摩擦因數(shù)較大，但隨著試驗的進行摩擦因數(shù)逐漸減小，三者的摩擦因數(shù)變化趨勢明顯，短時間內(nèi)波動幅度較小，尤其是40和60 μm厚度滲銅試樣的后期摩擦因數(shù)已趨于穩(wěn)定。這說明在較高的載荷下，較大的滲銅厚度更有利于穩(wěn)定摩擦因數(shù)，使摩擦因數(shù)的變化趨勢更加平穩(wěn)。50 N干摩擦條件下，滲銅試樣摩擦因數(shù)較短時間內(nèi)穩(wěn)定，波動幅度較小，說明在干摩擦條件下，滲銅層仍起到了穩(wěn)定摩擦因數(shù)的作用，其中40和60 μm厚度的滲銅試樣在試驗過程中摩擦因數(shù)無明顯波動，甚至優(yōu)于同載荷下的油潤滑試樣，說明干摩擦環(huán)境下試樣表面形成了更為穩(wěn)定的潤滑膜層，但20 μm厚度的滲銅試樣在試驗過程中出現(xiàn)多次摩擦因數(shù)突變，推測是由于潤滑膜層經(jīng)歷了破壞-重建的過程。

圖5 不同工況下滲銅試樣摩擦因數(shù)對比

滲銅層在不同工況下均起到了減摩和穩(wěn)定摩擦因數(shù)的作用，但不同工況下的減摩效果不同，其中重載和干摩擦環(huán)境下減摩效果最為理想。另外，不同厚度滲銅層的減摩效果也有所差異，不同試驗條件對應(yīng)不同的最佳滲銅層厚度。

2.1.2 不同工況下滲銅試樣的磨損量分析

圖6所示為不同工況下滲銅試樣的體積磨損量。50 N油潤滑條件下，只有40 μm厚度的滲銅層起到了小幅度的耐磨作用；100 N油潤滑和50 N干摩擦條件下，20和40 μm滲銅厚度的試樣均表現(xiàn)出良好的耐磨性，其中40 μm滲銅層厚度的試樣耐磨效果最佳，100 N油潤滑和50 N干摩擦條件下可使磨損量分別降低30.70%和38.57%；60 μm滲銅厚度的試樣在不同工況下的磨損量均為最大，不僅高于其他滲銅厚度的試樣，也高于未滲銅試樣，這是由于在60 μm的滲銅厚度下，試樣表面形成了50%銅含量的銅鐵合金，該合金層與基材相比硬度和剪切強度較低，降低了材料的耐磨性。

圖6 不同工況下滲銅試樣的體積磨損量

2.2 磨損表面形貌

表2給出了不同試樣試驗后的表面微觀形貌。原始試樣磨損表面粗糙并伴有大量不規(guī)則剝落坑及犁溝，且在犁溝上分散著大量細小磨屑，100 N油潤滑和50 N干摩擦條件下的磨損尤為嚴重。這是因為摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑在摩擦副的碾壓過程中導(dǎo)致工作面硬化，硬度升高，形成硬質(zhì)點，在摩擦表面刮擦形成了明顯的犁溝[17]。摩擦副之間由于摩擦熱在表面的集聚導(dǎo)致摩擦對偶之間發(fā)生黏著，導(dǎo)致材料從摩擦表面剝落，其主要磨損形式為磨粒磨損和黏著磨損。滲銅試樣表面相對平整，有塑性變形痕跡，生成了階梯狀膜層，剝落的硬質(zhì)顆粒鑲嵌在表面，形成不規(guī)則凹坑，猜測表面膜層對硬質(zhì)點有吸納、鑲嵌的作用，減少了摩擦副的進一步磨損，其主要磨損形式為黏著磨損。

表2 不同工況下滲銅試樣磨損后表面形貌

在不同載荷下，相比50 N油潤滑，100 N油潤滑下的磨損表面成膜區(qū)域更大，表面更平整，說明較高載荷更有利于表面膜的生成。這對應(yīng)了高載荷下滲銅處理減摩耐磨效果更顯著的現(xiàn)象，較高的載荷促進了完整光滑膜層的產(chǎn)生，從而提高材料表面的潤滑性與耐磨性。

在不同潤滑條件下，相比50 N油潤滑，50 N干摩擦條件下能在更小的滲銅厚度下形成完整的膜層，這說明干摩擦加快了膜層的產(chǎn)生。但在干摩擦條件下，60 μm滲銅厚度試樣的表面膜層出現(xiàn)了大面積的剝落現(xiàn)象，猜測是由于干摩擦條件下摩擦熱無法及時擴散，接觸界面的溫度升高，進一步降低了膜層表面剪切強度，使材料表面發(fā)生了焊合現(xiàn)象，膜層破裂而發(fā)生剝落。

2.3 滲銅層作用機制探討

SEM分析表明，滲銅試樣表面均形成了膜層，該膜層是滲銅層發(fā)揮作用的關(guān)鍵。為研究該膜層的減摩耐磨機制，對膜層的成分進行了分析。對40 μm滲銅厚度試樣的磨損邊緣區(qū)域進行了分析，該區(qū)域同時存在成膜區(qū)和未成膜區(qū)，能譜分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 磨損表面成分

由能譜分析結(jié)果可以看出，在成膜區(qū)域銅的含量明顯高于未成膜區(qū)域，是表面膜的主要成分，這說明在摩擦過程中，試樣內(nèi)部的銅元素存在某種析出行為，聚集并鋪展在試樣表面[18]。銅作為軟金屬，流動性好，本身具有低剪切特性，易于發(fā)生晶間滑移，形成的膜層具有優(yōu)良的減摩作用。在摩擦磨損過程中，該膜層隔絕了摩擦副的直接接觸，使摩擦過程主要發(fā)生在潤滑膜之間，從而降低了摩擦因數(shù)，使摩擦因數(shù)的變化更加平穩(wěn)[19]。另外，該膜層硬度較低，對硬質(zhì)磨屑等起到了包裹和鑲嵌作用，防止磨屑持續(xù)劃傷磨痕處，引起更嚴重的磨損和表面損傷；對磨痕起到了填平作用，降低了表面的粗糙度，對材料的耐磨性起到了積極作用。

對于該膜層的形成機制，主要受控于2個因素：一是鐵和銅在常溫下有良好的相容性；二是摩擦過程中存在局部和瞬時溫度升高。常溫狀態(tài)下銅分散在改性層中，摩擦過程中微凸體間相互作用，出現(xiàn)局部和瞬時溫度升高，在壓應(yīng)力和表面晶界能的影響下，改性層內(nèi)部的銅會由均勻分布的狀態(tài)向上遷移，并通過改性層內(nèi)部的晶界間隙、孔洞等位置析出，在摩擦副相對運動產(chǎn)生的剪切作用下鋪展在摩擦表面，并最終形成一層富銅的保護膜，其成膜機制如圖8所示。摩擦熱對膜層的生成起到了關(guān)鍵作用，較高的溫度有利于軟金屬的析出過程，有利于表面成膜[18]。這也解釋了高載荷和干摩擦條件下磨損表面更加平整的原因，高負荷下摩擦副的微凸體之間的摩擦行為更劇烈，產(chǎn)生大量摩擦熱，使局部溫度快速升高，加速了成膜過程；干摩擦條件下，產(chǎn)生的摩擦熱無法被及時帶走，同樣加速了成膜過程。此外，隨著滲透厚度的增加，摩擦表面的銅含量也越高，對成膜效果也有影響，銅含量較高的試樣表面更容易形成表面膜層，但過高銅含量的膜層反而會加劇材料表面的黏著磨損。

圖8 表面成膜機制

3 結(jié)論

(1)缸套材料表面滲銅可以起到減摩和耐磨作用，在高載荷和干摩擦工況下的作用效果尤為顯著。其中高載荷環(huán)境下，40 μm厚度的滲銅層有最佳的減摩耐磨作用，摩擦因數(shù)最高降低13.15%、體積磨損量最高下降30.70%；干摩擦條件下，20 μm厚度的滲銅層減摩作用最佳，摩擦因數(shù)最高下降30.86%，40 μm厚度的滲銅層耐磨作用最佳，磨損量最高降低38.57%。綜合來看，40 μm是較為合適的滲銅層厚度，在不同工況下起到減摩和穩(wěn)定摩擦因數(shù)作用的同時，還可使材料表面具有優(yōu)良的耐磨性。

(2)在摩擦過程中，滲銅試樣表面形成了具有減摩作用的膜層，該膜層的剪切強度低，起到了降低和穩(wěn)定摩擦因數(shù)的作用，同時該膜層還減少了磨粒磨損，對摩擦表面起到了保護和修復(fù)作用，提高了材料表面的耐磨性。

(3)滲銅層的作用機制主要為：在局部和瞬時高溫的作用下，改性層內(nèi)部的銅逐漸析出并聚集在材料表面，受到摩擦剪切的作用在材料表面鋪展形成膜，高載荷和干摩擦條件對膜層的形成起到促進作用。