珩磨角和粗糙度对CuNiCr气缸套摩擦学性能的影响

陈文滨，马思齐，王正，徐久军

(大连海事大学船机修造工程交通行业重点实验室，辽宁 大连 116026)

柴油机作为当今社会应用广泛的内燃机，其性能的好坏直接决定整个动力系统的机械效率和可靠性。随着其功率密度的提高，作为关键摩擦副的气缸套和活塞环将承受比以往更多的热负荷和机械负荷，苛刻的工作条件导致摩擦副的摩擦磨损性能大幅下降。为了提高气缸套和活塞环摩擦副的摩擦学性能，改变气缸套的内表面形貌是目前内燃机行业普遍采用的方法。

过去，人们普遍认为气缸套内壁光滑有利于减少表面微凸体直接接触，从而起到减摩的作用[1-3]。然而这种类似镜面的表面结构无法在工作过程中存储润滑油，并且在缸套和活塞环相互接触的过程中，其表面实际接触面积较大。随着工况的加剧，缸套和活塞环系统的摩擦学性能将逐渐变差。因此，表面织构化作为一种行业内首选的缸套表面加工方法而被广泛应用[4-6]。平台珩磨作为表面织构化的一种，是目前最稳定、应用最广泛的表面加工方法之一。相比于未经表面珩磨处理的气缸套，表面珩磨可以显著降低摩擦副的摩擦损失和润滑油消耗[7-8]。它可以在气缸套内壁上产生较大的承载平台，同时又可以在承载平台之间形成许多用来储存润滑油的珩磨纹[9-10]。当柴油机工作时，这些特殊结构对润滑油储存和润滑油膜形成都起着重要作用[11-13]。此外，G. S. Joshi通过试验发现，较为粗糙的珩磨表面更容易形成润滑油膜，且润滑油膜厚度与粗糙度之间有着明显的联系[14]。S. Yuan经过研究发现，气缸套的摩擦磨损性能与其表面珩磨网纹的分布方向有关[15]。而珩磨角和粗糙度在高功率密度工况条件下对气缸套摩擦磨损性能，尤其是抗拉缸性能的影响目前鲜有报道。

对气缸套摩擦副摩擦学性能的研究必须考虑摩擦副材料本身。Eun Seok Kim探究了珩磨表面粗糙度对气缸套摩擦磨损性能的影响[16-17]，但是试验所用对磨材料是普通钢球而非真实活塞环。虽然上述研究结果对探究珩磨形貌对气缸套摩擦磨损性能的影响具有一定的参考意义，但在真实的气缸套和活塞环试样上进行试验得到的结果更为可靠。

本研究基于磨损试验和抗拉缸试验，探究珩磨角和粗糙度对CuNiCr气缸套磨损和抗拉缸性能的影响。在高燃烧压力和较高温度的工况下比较了不同珩磨角/粗糙度的CuNiCr气缸套的摩擦磨损性能的影响规律以及相关作用机制。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

缸套试样的选材来源于真实的气缸套，通过电火花加工(EDM)切割成试验所需尺寸。缸套内表面采用不同珩磨工艺处理，得到不同的表面粗糙度和珩磨角。珩磨加工主要包括如下两步：1)采用大尺寸磨料进行粗珩磨加工；2)通过精珩磨工艺去除表面粗糙峰[18]。为了研究珩磨角对摩擦学性能的影响，选取珩磨角分别为47°，58°和65°的气缸套试样(珩磨表面粗糙度约为1.29 μm)进行试验(见图1)。选取相同珩磨角(约58°)、不同珩磨表面粗糙度的4种气缸套来研究表面粗糙度对气缸套摩擦学性能的影响，4种缸套的表面粗糙度分别为0.7 μm，0.85 μm，0.98 μm和1.25 μm。所选气缸套试样的内径为270 mm，壁厚为10 mm，其化学成分见表1。气缸套沿圆周方向以3°为距离等分切割，然后切割成长度43 mm的缸套试样。由图2可见，气缸套基体为片状珠光体、石墨和少量磷共晶。

图1 不同珩磨角缸套形貌

元素CMnSiCrNiCu质量分数2.900.881.860.330.510.84

图2 CuNiCr缸套金相照片

活塞环试样同样从实际活塞环上取样得到，基体为铸铁，表面镀有Cr-Al2O3涂层(涂层由Cr基体和直径2～3 μm的 Al2O3陶瓷颗粒组成，又称CKS活塞环)，厚度约为230 μm。活塞环被切成30等份，每等份中心角为12°。

选用具有良好抗氧化性和耐磨性的CD40机油作为试验所用润滑剂。在每次试验之前，所有样品都用酒精和汽油各清洗两次以除去表面上的杂质。每次试验后，用丙酮清洗测试样品，除去表面残余润滑油和其他磨屑以便观察磨损前后表面形貌和测量磨损量。

1.2 磨损试验

当活塞接近和离开上止点时通常会形成较大的气体压力和较高的温度[19-21]。此时，摩擦副之间的相对线速度接近0，不易形成润滑油膜。为了模拟活塞环运动到上止点的实际工况，试验设计了对置往复摩擦磨损试验机(见图3)。该试验机可精确控制法向载荷(10 N～10 kN)、摩擦副相对运动速度(0.01～1 m/s)和温度(30～300 ℃)。试验中，上方活塞环固定，气缸套试样以一定速度在活塞环下方作往复运动，其行程为30 mm。往复运动台装有加热装置，可以控制试验需要的温度。磨损试验后，用OLYSUS LTEX-OLS4000共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)测量磨损深度来表征磨损量。在每次磨损试验前后，通过ZEISS-SUPRA 55 SAPPHIRE扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)对气缸套试样和活塞环试样的表面形貌和表面元素进行检测分析。为了加速磨损以尽快评价摩擦副的摩擦磨损性能，采用了强化荷载和温度的方式进行试验。详细的试验参数见表2。相同缸套和试验参数进行至少5次重复试验。

图3 对置往复摩擦磨损试验机示意

试验阶段试验参数磨合期200 r/min,200 ℃,300 N,3 h稳定期200 r/min,200 ℃,2 640 N,21 h

1.3 抗拉缸性能试验

抗拉缸性能试验同样在对置往复摩擦磨损试验机上进行。不同于传统的载荷级抗拉缸性能试验，本试验采用在一段稳定磨合之后切断润滑油供给，用断油后和拉缸发生之间的间隔时间来评估气缸套抗拉缸能力。表3中列出了抗拉缸试验各阶段的试验参数，包括磨合阶段(低载磨合阶段和高载磨合阶段)和断油持续阶段。图4示出在抗拉缸性能试验中一个典型的摩擦力曲线。

表3 抗拉缸试验参数

图4 拉缸试验中摩擦力随时间的变化

2 珩磨角对气缸套摩擦、磨损性能的影响

2.1 对气缸套磨损量及摩擦因数的影响

图5示出具有不同珩磨角的气缸套摩擦副在止点位置处的摩擦因数和磨损量。结果表明：珩磨角对于气缸套的摩擦磨损性能有显著的影响；摩擦副的磨损量和摩擦因数均随着珩磨角的增加(47°～65°)呈现出先减小后增大的趋势。上述试验结果表明，优化珩磨角可提高气缸套的摩擦学性能。

图5 不同珩磨角缸套的摩擦因数、磨损量以及活塞环的磨损量

2.2 对气缸套摩擦学性能影响的机制

随着珩磨角的减小(从65°到58°)，珩磨纹的分布方向逐渐趋于与滑动方向垂直。珩磨纹分布方向与滑动方向的夹角越大，在摩擦副相对滑动过程中对润滑油流动起到的阻塞作用也越大，从而在珩磨纹内形成局部润滑油涡流。这种润滑油涡流可以在两接触表面间表现出较好的承载能力，进而改善摩擦副摩擦学性能。

但当珩磨角减小较多时(从58°到47°)，气缸套活塞环间的实际接触面积将增加，这可能会加剧摩擦副之间的磨损。Tomanik通过建立统计粗糙度接触模型获得了与上述摩擦磨损试验相同的规律，这也证明了改变珩磨角可改变气缸套的摩擦学性能[22]。

磨损试验结果表明，CuNiCr缸套的珩磨角在58°左右较为合理。

3 珩磨表面粗糙度对气缸套摩擦、磨损性能的影响

3.1 对摩擦因数的影响

图6示出不同珩磨表面粗糙度的气缸套在稳态磨损阶段止点处的摩擦因数。随着珩磨表面粗糙度从0.7 μm增加到0.85 μm，摩擦因数急剧下降。然而，随着珩磨表面粗糙度的继续增大(从 0.85 μm到0.98 μm)，摩擦因数又呈上升趋势。当珩磨表面粗糙度增加到1.25 μm时，摩擦因数达到一个相对稳定的状态。由此可见，珩磨表面粗糙度为0.85 μm时CuNiCr气缸套摩擦因数最低。

图6 不同珩磨粗糙度下气缸套的摩擦因数

3.2 对气缸套和活塞环磨损量的影响

图7示出不同珩磨表面粗糙度下气缸套和活塞环试样的磨损量。随着缸套珩磨表面粗糙度的增大，气缸套和活塞环的磨损量均为先减小后增大。珩磨表面粗糙度为0.85 μm时综合磨损量最小，由此可见，CuNiCr气缸套的最佳珩磨表面粗糙度应该在0.85 μm左右。

图7 气缸套与活塞环的磨损量

3.3 进入稳定磨损阶段的磨合期时间

图8示出各摩擦副在低载磨合结束后进入稳定高载磨合阶段的时间。由图8可见，珩磨表面粗糙度最小(0.7 μm)的摩擦副进入稳定高载磨合的时间最短，约为1.3 h，而珩磨表面粗糙度较高(0.98 μm和1.25 μm)的摩擦副进入稳定高载磨合的时间相对较长，分别为4.9 h和4.3 h。可以看出，随着珩磨表面粗糙度的增加，进入稳定高载磨合阶段的时间逐渐增加，这意味着珩磨表面粗糙度同样影响高载工况下气缸套的磨合性能。

综上所述，珩磨表面粗糙度较低的气缸套摩擦学性能相对较差，但进入稳定磨损期的时间也较短。这种现象是因为较高珩磨表面粗糙度的气缸套表面珩磨峰和珩磨谷之间的高度差相对较大，在磨合过程中，将珩磨表面上的微凸体磨平所需的啮合力较大，且将粗糙表面碾平所需的时间也较长。

图8 不同珩磨粗糙度下进入稳定高载磨合阶段的时间

3.4 磨损试验后气缸套试样止点处的表面形貌和元素分布

各缸套试样磨损后表面形貌基本一致，且表面元素除了质量分数不同外成分也保持一致。图9示出磨损试验后磨损区的典型磨损表面形貌和EDS元素分布。磨损后表面珩磨纹理仍然清晰，小部分纹理已经被磨平并有一些磨料碎片被碾压到珩磨纹内。此外，由图9e、图9g和图9h可见，磨损区域除了气缸套基体元素外，还包含润滑添加剂元素P，S和Ca。

图9 缸套磨损后表面典型形貌和元素分布

图10示出具有不同珩磨表面粗糙度的气缸套试样磨损试验后表面元素质量分数。在不同珩磨粗糙度的气缸套试样上都可以观察到润滑油添加剂元素，珩磨表面粗糙度为0.7 μm的表面上含有的润滑油元素(P，S和Ca)最少(见图10a)，而珩磨表面粗糙度为1.25 μm的气缸套试样含有的润滑油添加剂元素较多(见图10d)。润滑油元素质量分数的增加意味着储存在工作表面上的润滑油质量增加。这种现象是由于不同珩磨表面粗糙度气缸套的珩磨纹深度不同所致，珩磨表面粗糙度较大的气缸套拥有较深的珩磨纹，因此其储存润滑油的能力也相对较强，磨损试验后表面润滑油元素较多。

图10 不同珩磨粗糙度缸套磨损区域的各元素含量

3.5 不同珩磨表面粗糙度气缸套的磨损机制

摩擦副的耐磨性取决于摩擦副的自身特性和其所处的工况条件。本试验中各摩擦副所处工况条件是一致的，因此摩擦副的摩擦因数和磨损量的变化是由气缸套内壁的表面粗糙度不同引起的。

从磨损试验结果可知，随着气缸套珩磨表面粗糙度的增大，摩擦性能并没有得到持续改善。不同珩磨表面粗糙度的气缸套试样磨损表面形貌见图11。对于珩磨表面粗糙度较小的气缸套试样(0.7 μm和0.85 μm)，磨损后表面珩磨纹清晰且表面光滑，磨损表面没有明显的材料剥离和塑性变形。而对于珩磨表面粗糙度较大的气缸套试样(0.98 μm和1.25 μm)，磨损表面上发现了明显的塑性变形和疲劳剥落，珩磨纹逐渐被塑性流动层填充并逐渐消失。当珩磨表面粗糙度从0.85 μm增加到1.25 μm时，摩擦副磨损深度增加。这是因为粗糙度较大的气缸套内表面珩磨峰和珩磨谷的高度差较大，与珩磨粗糙度较小的气缸套相比，粗糙度较大的气缸套在与活塞环相互接触的过程中更容易发生基体黏附、撕裂、拖动和剥落等情况。

在高燃烧压力和较高温度梯度工况条件下，珩磨平台表面的材料容易发生塑性变形并沿平行或垂直滑动方向挤压。由图12可见，珩磨粗糙度较大的气缸套表面由塑性流动产生的薄层将在承载平台的边缘逐渐形成。由于接触表面间的往复滑动，更多的塑性流动薄层被碾压进入珩磨纹内并逐渐将其填充，最终增加了气缸套和活塞环之间的实际接触面积。此外，薄层在碾压过程中也会在珩磨平台的边缘发生断裂并剥落，最终在滑动表面间形成磨粒。这些磨粒将增大两接触面间的机械咬合力并引起严重的磨粒磨损，最终使其摩擦磨损性能下降。CuNiCr气缸套磨损机制示意见图13。

图11 不同珩磨粗糙度缸套表面磨损形貌

图12 珩磨粗糙度为0.98 μm和1.25 μm缸套表面磨损形貌

3.6 珩磨表面粗糙度对气缸套抗拉缸性能的影响

图14示出不同珩磨表面粗糙度气缸套的抗拉缸时间对比。结果表明，随着珩磨表面粗糙度的增加，抗拉缸时间先增加后减小。珩磨表面粗糙度为0.85 μm的气缸套抗拉缸时间最长，表明该气缸套拥有较好的抗拉缸性能。这种现象的产生可能是由以下两个原因引起的：a)珩磨纹自身具有一定的储油性能，在断油后可以起到提供润滑油的作用；粗糙度较大的珩磨表面拥有较深的珩磨纹，因此需要消耗更多的时间来耗尽其表面存储的润滑油；b)粗糙度较大的表面会产生较多的磨粒，这些磨粒会在断油后在两表面间产生一定的磨粒磨损，另外，磨粒会被挤压到珩磨纹内，从而挤压出储存在珩磨纹内的润滑油，进而加速了润滑油消耗并导致抗拉缸时间变短。类似的现象在之前也有报道，Zabala指出适当的珩磨纹深度可以大幅度提高表面润滑油膜厚度，而较深的珩磨纹则会引起局部润滑油膜塌陷，最终导致润滑油膜变薄甚至破裂[23]。

4 结论

a) 珩磨角对摩擦因数和磨损量均有显著影响,当珩磨表面粗糙度保持不变时，58°左右的珩磨角表现出较好的摩擦学性能;

b) 缸套磨损机理：珩磨平台表面的材料在法向载荷作用下发生塑性变形,同时，塑性流动薄层从接触平台边缘被挤出，最终在缺陷或应力集中区域发生裂纹并脱落形成碎屑;

c) 随着缸套珩磨表面粗糙度的增大，摩擦因数和磨损量均先减小后增大,试验结果表明CuNiCr气缸套表面粗糙度为0.85 μm时磨损量最低且抗拉缸性能最好。