劉 奇 孟召喆 袁成清 董光能

（1.江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710049；3.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 湖北武漢 430070）

軸瓦作為內(nèi)燃機(jī)中非常重要的零件之一，其質(zhì)量將對發(fā)動機(jī)的工作性能產(chǎn)生直接影響。曲軸和軸瓦在工作時需承受急劇變化的沖擊載荷和彎曲應(yīng)力及回轉(zhuǎn)振動等，若潤滑不當(dāng)，極易造成軸頸的黏著、裂紋等，影響曲軸乃至整個內(nèi)燃機(jī)的使用壽命［1］。海洋資源的開發(fā)、貨物運(yùn)輸?shù)榷紝?nèi)燃機(jī)提出了功率大、轉(zhuǎn)速快、損耗低等要求，這使得內(nèi)燃機(jī)軸瓦的工作條件將會更加苛刻，使得軸瓦材料正朝著更高的抗疲勞強(qiáng)度，優(yōu)良的耐磨性、順應(yīng)性、嵌入性和耐腐蝕性，高載荷及高熔點(diǎn)等方向發(fā)展［2］。目前船用柴油機(jī)軸瓦常使用鋁錫銅合金，在油膜出口區(qū)易產(chǎn)生氣蝕，高載區(qū)域由于交變載荷下造成錫的析出，產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響軸瓦的使用壽命。

在軸瓦表面制備涂層可有效減少軸瓦的黏著和磨粒磨損，可使軸瓦磨損率及干摩擦、油潤滑下的摩擦因數(shù)最高減小80%以上［3］。目前主流的內(nèi)燃機(jī)軸瓦涂層有3 種：電鍍鍍層、磁控濺射薄膜和固體潤滑涂層［4－5］。電鍍生產(chǎn)出的軸瓦涂層耐磨性偏低，在長時間使用過后易出現(xiàn)明顯磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致運(yùn)行時產(chǎn)生大量噪聲和劇烈震動，影響內(nèi)燃機(jī)的使用壽命；磁控濺射工藝流程較復(fù)雜，不適合用于大批量生產(chǎn)；固體潤滑涂層是用于各類軸瓦中減摩抗磨重要手段。

傳統(tǒng)的軸瓦涂層包括巴氏合金、鉛錫青銅材料等［6－7］，在正常使用中可減小硬配副直接接觸，從而降低摩擦磨損。然而在重載、低速、高速的軸承中，巴氏合金等軟金屬常因受力不均勻產(chǎn)生塑性流動，導(dǎo)致油膜失穩(wěn)使軸瓦發(fā)生燒瓦和失效［8］。高分子材料涂層具有低摩擦、耐磨性好、抗緩沖能力強(qiáng)等特點(diǎn)［9］，許多學(xué)者將其運(yùn)用到軸瓦上以增強(qiáng)摩擦學(xué)性能。此外，隨著潤滑劑和耐磨材料的填充，聚合物涂層的力學(xué)和摩擦學(xué)性能均得到了改善［10］。SHIAO 等［11］將聚氧乙烯作為軸瓦自潤滑材料，獲得了小于0.02 的摩擦因數(shù)。KIM 等［12］在聚合物樹脂中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.3%的碳納米管，發(fā)現(xiàn)涂層的粗糙度降低，并且摩擦因數(shù)減小了78%。TU 等［13］使用噴涂的方式在銅基合金上制備了不同含量的聚酰亞胺PTFE／PI－PAI 復(fù)合涂層，在干摩擦和油潤滑下均具有較好的減摩抗磨性。

不同的涂層制備方式對摩擦穩(wěn)定性具有很大影響。劉春暉等［14］通過使用高能球磨、冷等靜壓及高頻感應(yīng)燒結(jié)在Ni 基合金上制備了高溫自潤涂層，在室溫至600 ℃范圍內(nèi)均具有好的耐磨性。WANG等［15］使用爆炸噴涂法，制備了一種可多工況使用的Cr3C2－NiCr 涂層，延長了零部件使用壽命。ZHU、徐進(jìn)等人［16－17］使用黏結(jié)法將含有MoS2的減摩膠體粘附在摩擦配副表面，給出一種制備性能穩(wěn)定涂層的方式。

內(nèi)燃機(jī)軸瓦從啟動到停止階段潤滑狀態(tài)及工作溫度在持續(xù)變化［18］。為了提高AlSn20Cu／SAE1010 合金軸瓦的摩擦磨損性能，本文作者設(shè)計(jì)了一種含有MoS2的PAI／PTFE 復(fù)合自潤滑涂層。首先使用激光毛化處理AlSn20Cu／SAE1010 合金表面，并使用噴涂技術(shù)制備不同涂層，然后使用UMT－2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)測試，最后利用SEM 等觀察表面磨損狀況，分析了摩擦機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

文中使用噴涂燒結(jié)法制備復(fù)合自潤滑涂層，具體流程如圖1 所示。

圖1 復(fù)合涂層制備流程Fig.1 Process of composite coating preparation

首先使用激光毛化處理試樣表面［19］，以提高涂層的結(jié)合力，激光預(yù)處理參數(shù)如表1 所示。然后使用噴槍霧化噴涂，噴涂噴嘴與基體材料之間距離控制在200～300 mm，使用掃噴的方式，噴涂10 s 左右。噴涂后，在真空干燥箱中在120 ℃溫度下干燥30 min，然后再升溫至270 ℃燒結(jié)20 min，室溫下冷卻后可在試樣表面得到PAI／PTFE 復(fù)合涂層。噴料制備方式為：聚酰亞胺乳液（PAI，南通博聯(lián)材料科技有限公司生產(chǎn)）用去離子水以3 ∶2 的比例稀釋，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的聚四氟乙烯（PTFE，興旺塑膠原理有限公司生產(chǎn)）乳液，之后分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的KH550 硅烷偶聯(lián)劑（鼎海塑膠化工有限公司生產(chǎn)）和BD3033 流平劑（杭州包爾得新材料科技有限公司生產(chǎn)），最后加入MoS2作為固體潤滑劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5%、1%、1.5%、2%。

1.2 試驗(yàn)方法

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在UMT－2 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用球盤往復(fù)運(yùn)動模式，如圖2 所示。試驗(yàn)行程6 mm。上試樣為GCr15 球（直徑9.525 mm，SKF 集團(tuán)產(chǎn)品），硬度60HRC，表面粗糙度Ra為0.009 μm；下試樣為AlSn20Cu／SAE1010 合金（10 mm×20 mm）。試驗(yàn)一為不同復(fù)合涂層的干摩擦試驗(yàn)，載荷為3～5 N，頻率為2 Hz；實(shí)驗(yàn)二為不同復(fù)合涂層油潤滑下的摩擦試驗(yàn)，潤滑油為卡爾沃CD20W－50 柴油機(jī)油（40 ℃運(yùn)動黏度50 mm2／s，氧化安定性108 min（旋轉(zhuǎn)氧彈法）），載荷為3～5 N，頻率為2 Hz。試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)由試驗(yàn)機(jī)實(shí)時記錄，在趨于穩(wěn)定后計(jì)算其平均值，干摩擦下試驗(yàn)球的磨損率由公式（3）計(jì)算得到。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)測試3 次，取平均值。

圖2 球盤往復(fù)運(yùn)動示意Fig.2 Schematic of the reciprocating motion of ball－on－disc

式中：k為磨損率（mm3／（N·m））；h為球冠高度（mm）；V為磨損體積（mm3）；S為總滑動距離（m）；R為球半徑（mm）；r為磨斑半徑（mm）；F為載荷（N）；T為試驗(yàn)時間（min）；f為頻率（Hz）；a為往復(fù)距離（m）。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層表征

MoS2及所制備的涂層表面形貌如圖3 所示。圖3（a）為MoS2的SEM 圖，可見MoS2為片層狀結(jié)構(gòu)，具有較好的摩擦學(xué)性能，徑向直徑為1～4 μm，軸向厚度約為30 nm；圖3（b）是所制備的涂層的截面SEM 圖，截面經(jīng)過磨拋后，在電鏡下觀測得到涂層厚度約為5 μm；圖3（c）是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%MoS2粉末制備的涂層SEM 圖，可見涂層表面充滿球冠狀的微凸起，尺寸為50～100 μm。圖3（d）是原始鋁錫銅合金表面，經(jīng)測定粗糙度Ra為0.24 μm。圖3（e）—（h）是不同MoS2含量的PAI／PTFE 涂層的表面形貌光學(xué)顯微鏡圖片，可見隨著MoS2的增加，表面粗糙度Ra增大；當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時，表面甚至出現(xiàn)了裂紋。

2.2 摩擦磨損結(jié)果及分析

圖4 所示為不同MoS2含量的PAI／PTFE 涂層在不同載荷下的干摩擦因數(shù)（COF）曲線。

圖4 干摩擦和不同載荷下不同MoS2 含量的PAI／PTFE復(fù)合涂層摩擦因數(shù)曲線Fig.4 The friction coefficient curves of PAI／PTFE composite coatings with different MoS2 content under dry friction and different loads：（a）3 N；（b）4 N；（c）5 N

由圖4 可知，隨著載荷的增加，無涂層試樣表面干摩擦因數(shù)有明顯上升，并且當(dāng)載荷為4 和5 N 時，出現(xiàn)劇烈震動，摩擦狀態(tài)差，其中5 N 下最大摩擦因數(shù)達(dá)到了0.58 左右；表面制備PAI／PTFE 涂層后，摩擦因數(shù)隨著MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先下降再上升，當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，3 種載荷下摩擦因數(shù)均最小，摩擦因數(shù)保持在0.08～0.1 之間，未出現(xiàn)明顯的波動，這與李攀瑜［20］得出的結(jié)果相似，其制備的無潤滑脂型油套管接頭用PAI－MoS2－PTFE 復(fù)合涂層具有好的摩擦學(xué)性能。以上結(jié)果表明，在PAI／PTFE 復(fù)合涂層中添加MoS2后可明顯提高其潤滑性能，能夠減小軸瓦在啟停階段、振動等造成潤滑不良時的摩擦磨損，延長其使用壽命。

在5 N 載荷下與不同涂層表面進(jìn)行干摩擦后，測量了試驗(yàn)鋼球的接觸區(qū)域磨斑，并通過公式（3）計(jì)算得到磨損率，如圖5 所示。原始鋁錫銅合金表面摩擦試驗(yàn)后，鋼球磨損率為4.2×10－7mm3／（N·m），制備PAI／PTFE 涂層后，磨損率迅速下降到3.5×10－8mm3／（N·m），降低了90%以上。添加MoS2后鋼球磨損率下降，當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%以上時，鋼球磨損率變化不大，最低約為9.5×10－9mm3／（N·m）。這得益于片層狀MoS2低的層間作用力，干摩擦下形成摩擦膜，與PAI／PTFE 涂層共同起到減摩抗磨作用。從鋁錫銅合金與軸承鋼球的干摩擦因數(shù)及磨損率來看，PAI／PTFE＋2%MoS2的復(fù)合涂層在摩擦測試中效果較好，5 N 下的磨損率與無涂層試樣相比降低了97.73%，減摩抗磨性能較優(yōu)異。

圖5 與不同涂層表面干摩擦后鋼球的磨損率（載荷5 N）Fig.5 Wear rate of steel ball after dry friction on different coating surfaces at load of 5 N

圖6 示出了不同載荷下鋁錫銅合金與軸承鋼球在CD20W－50 柴油機(jī)油潤滑下的摩擦因數(shù)曲線。無涂層合金表面摩擦因數(shù)始終穩(wěn)定在0.12 左右，PAI／PTFE涂層表面摩擦因數(shù)隨時間緩慢上升，未添加MoS2時，摩擦因數(shù)最高上升到0.105；當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和1%時，油潤滑下涂層潤滑改善效果不明顯；載荷為4 和5 N 時，MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的涂層表面摩擦因數(shù)較低，為0.08 左右；當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，摩擦因數(shù)隨載荷增加略有上升，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，摩擦因數(shù)隨載荷增加略有下降。潤滑性能改善最好的組合是PAI／PTFE＋2%MoS2，摩擦因數(shù)最終穩(wěn)定在0.04 左右，比原始表面降低了約66.7%。李桂花等［21］制備的PAI／PTFE 涂層中未加入MoS2，得到的最優(yōu)摩擦因數(shù)為0.075，可見MoS2對于復(fù)合涂層摩擦學(xué)性能具有極大的改善作用。

圖6 油潤滑不同載荷下不同MoS2 含量的PAI／PTFE 復(fù)合涂層摩擦因數(shù)曲線Fig.6 The friction coefficient curves of PAI／PTFE composite coatings with different MoS2 content under oil lubrication and different loads：（a）3 N；（b）4 N；（c）5 N

2.3 SEM 和EDS 分析

為了探究不同表面的磨損狀況及磨損形式，對油潤滑下5 N 載荷試驗(yàn)組部分表面進(jìn)行了SEM 觀測，結(jié)果如圖7 所示。無PAI／PTFE 涂層的原始表面主要磨損形式為磨粒磨損，表面磨痕比較明顯，寬度約為639 μm（見圖7（a））。在圖6（c）中，MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5%和1%的涂層表面摩擦因數(shù)后期會有明顯上升，幾乎接近于原始表面，這對應(yīng)于圖7（b）、（c）和（d）的磨損表面，可以看出，這3種涂層在摩擦試驗(yàn)后都出現(xiàn)了不同程度的破裂現(xiàn)象，其中圖7（b）中的摩擦表面已經(jīng)露出了基體，涂層磨損嚴(yán)重，后期無法維持低摩擦。圖7（e）和（f）中，磨痕寬度分別為442 和401 μm，比原始表面減小30%以上，并且劃痕區(qū)域平整，未出現(xiàn)涂層磨破現(xiàn)象，因此可以持續(xù)保持低摩擦。

圖7 油潤滑涂層表面磨損SEM 圖（載荷5 N）Fig.7 SEM images of the coating wear surface under oil lubrication at load of 5 N

軸承鋼球表面的磨損形貌SEM 圖片和EDS 分析數(shù)據(jù)如圖8 所示。圖8（a）表明，經(jīng)過與原始鋁錫銅合金摩擦后，鋼球表面Cu、Al 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為51.4%和35.49%，表面幾乎完全被鋁錫銅合金黏著，摩擦學(xué)性能較差。圖8（b）所示是與MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的涂層摩擦后的鋼球表面形貌，由于摩擦測試后期涂層被磨破，球斑中心區(qū)域也出現(xiàn)嚴(yán)重黏著磨損，邊緣區(qū)域S 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了11.33%，這表明摩擦過程MoS2參與了潤滑膜的形成，但是一旦復(fù)合涂層破損后，磨損會迅速增加。圖8（c）所示是與MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的涂層摩擦后的球斑形貌，經(jīng)過5 N 載荷下的摩擦測試后，鋼球表面平整僅有微小黏著磨損，并且磨損區(qū)域表面S 元素分布均勻且質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升為35.48%，這說明MoS2在摩擦表面持續(xù)發(fā)揮作用，能夠提高復(fù)合涂層的穩(wěn)定性。

圖8 油潤滑下鋼球磨損表面形貌及EDS 分析結(jié)果（載荷5 N）：（a）無PAI／PTFE 涂層表面；（b）1% MoS2涂層表面；（c）2% MoS2涂層表面Fig.8 Surface morphology and EDS analysis results of steel ball wear surface under oil lubrication at load of 5 N：（a）no PAI／PTFE coating surface；（b）1% MoS2 coating surface；（c）2% MoS2 coating surface

圖9 所示是不同涂層磨損表面的EDS 數(shù)據(jù)。圖9（a）所示是無涂層表面和EDS 分析數(shù)據(jù)，可見主要元素為基體表面Cu 元素，質(zhì)量占比71.11%，含有的C 元素主要來源于潤滑油的物理和化學(xué)吸附，含有的部分Fe 元素主要來源于軸承鋼球的磨損，使部分鐵屑嵌入軟配副中。圖9（b）所示是MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的涂層表面和EDS 分析數(shù)據(jù)，摩擦測試后涂層表面出現(xiàn)磨損，表面C 和F 元素占比高，Cu 元素為裸露的基體元素，并且在Cu 元素分布區(qū)域還有S元素分布，這表明在摩擦過程中，磨痕中涂層破裂位置MoS2參與潤滑膜的形成，可以減輕摩擦配副的磨損。圖9（c）所示是MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的涂層表面和EDS 分析數(shù)據(jù)，摩擦測試后，涂層表面平整未出現(xiàn)明顯磨損痕跡，表面主要元素為C、F，并且出現(xiàn)S 元素，表明適量的MoS2有助于復(fù)合涂層摩擦膜的穩(wěn)定，能夠提高涂層使用壽命。

圖9 油潤滑下涂層磨損表面形貌及EDS 分析結(jié)果（載荷5 N）：（a）無PAI／PTFE 涂層表面；（b）1% MoS2涂層表面；（c）2% MoS2涂層表面Fig.9 Surface morphology and EDS analysis results of the coating wear surface under oil lubrication at load of 5 N：（a）no PAI／PTFE coating surface；（b）1% MoS2 coating surface；（c）2% MoS2 coating surface

3 結(jié)論

為了提高船用內(nèi)燃機(jī)軸瓦的摩擦學(xué)性能，在鋁錫銅合金表面制備了含MoS2的PAI／PTFE 復(fù)合涂層，并研究了MoS2含量對涂層摩擦學(xué)性能的影響。主要結(jié)論如下：

（1）在干摩擦下，原始表面摩擦因數(shù)隨著載荷上升而增加，制備PAI／PTFE 復(fù)合涂層后摩擦因數(shù)變得平穩(wěn)，在5 N 載荷下摩擦因數(shù)最低為0.090 2，降低了90%，磨損率最低為9.5×10－9mm3／（N·m）降低了97.73%。

（2）油潤滑下原始表面摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定，為0.12，在不同載荷下，MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5%和1%的涂層摩擦因數(shù)400 s 后會逐漸上升，MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1.5%時摩擦因數(shù)會保持穩(wěn)定，最低為0.038。

（3）干摩擦和油潤滑下，MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PAI／PTFE 復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)均最低，在不同載荷下均具有良好的潤滑性能；并且MoS2含量影響著涂層潤滑膜的穩(wěn)定性，MoS2含量過低時涂層摩擦?xí)r容易破損，過高時則可能會導(dǎo)致涂層表面制備時發(fā)生開裂，MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時具有最好的效果。