缸套碳氮/渗硫层在含FeS微粒润滑油下的摩擦学性能

齐俊平，雷艳华，王新华

(1.周口职业技术学院，河南 周口 466000；2.河南警察学院，河南 郑州 450046)

近年来，由于环保法规及柴油机功率密度的要求越来越高，缸套承受的热负荷和机械负荷越来越大[1]，润滑油膜的建立也更加困难，柴油机缸套内表面常由于发生划伤、磨损、拉缸等而失效，出现大量漏气、燃油率上升、机械效率下降等诸多问题。相关研究表明：表面淬火能够有效提高缸套内表面的硬度和耐磨性[2]，但缸套表面经表面淬火处理后存在着变形量较大且容易产生裂纹等问题，需进一步深入研究。离子渗氮可提高缸套内表面的硬度[3]，但缸套是与活塞环配副使用的，仅提高缸套内表面的硬度会加剧活塞环外表面的磨损，降低摩擦副整体寿命，也无法延长内燃机使用寿命。表面微织构有利于润滑油膜的生成，能够改善缸套的摩擦学性能[4]，但各种表面微织构参数的通用标准或模型还需进一步研究制订。缸套内表面经低温离子渗硫处理后，改性层的减摩耐磨性能提高，对磨件的耐磨性也会明显得到改善[5]，但受渗硫工艺的限制，制备的渗硫层厚度一般较薄且硬度较低,随着服役时间的延长，会逐渐被磨耗而失效，特别是在较苛刻条件下，渗硫层将迅速遭受破坏而失效[6]。柴油机缸套无论是采用飞溅润滑油润滑还是压力润滑油润滑[7]，在活塞环上止点附近区域特定工作条件(如新鲜混合气流的冲刷、高温燃气稀释、烧蚀等)下，缸套内表面润滑油膜的形成都是十分困难的，缸套实际上是工作在边界摩擦或干摩擦条件下，缸套内表面存在着磨损量较大的问题。固体润滑作为现代发展迅速的一种润滑技术,可以有效地降低边界润滑条件下摩擦副表面的摩擦磨损[8]，因而固体润滑技术成为改善缸套内表面摩擦学性能的一种主要手段。

缸套的减摩耐磨需要其表面具有较低摩擦系数、高的硬度和疲劳强度[9]等，采用单一的表面技术工艺很难满足其多种性能的需求[10]，而如何使多种表面技术与液体润滑以及固-液润滑协同优化，以解决一些机械设备及其零部件在特定工况下的耐磨性难题，还有待深入研究。黄友庭等[11]研究表明,离子碳氮共渗与低温离子渗硫表面技术复合可以得到更优的表面组织结构。尹延国等[12]研究表明,在油润滑条件下，FeS-铜基复合材料的摩擦磨损性能随FeS含量的增加呈先改善后变差的趋势，FeS的最佳含量为7.5%。但是将FeS微粒添加到润滑油中与离子碳氮-渗硫复合改性层协同作用是否能取得良好的协同作用效果，进一步提升离子碳氮-渗硫复合改性层摩擦学性能，尚缺少研究。

为了减少气缸套内表面的摩擦磨损，本研究以某合金铸铁气缸套为研究对象，采用表面化学热处理技术对气缸套内表面进行离子碳氮-渗硫复合处理，在气缸套内表面制备出碳氮-渗硫复合改性层；将适量的FeS微粒添加到润滑油中，通过摩擦磨损试验，对比分析缸套内表面复合改性层在润滑油和含FeS微粒润滑油条件下的摩擦学性能，并重点研究探讨了复合改性层与含FeS微粒复合润滑油协同作用的机理。

1 试验材料与方法

试验用气缸套内径为110 mm,壁厚为8 mm，高度为200 mm，材料为经500 ℃，3 h去应力退火处理后的CrMoCu合金铸铁(硬度为297.4 HV0.05)，其化学成分见表1。配副活塞环为PVD(CrN)涂层环(硬度为702 HV0.05)，外径110 mm，内径70 mm，轴向高度3 mm。润滑油为昆仑CD40润滑油，其添加剂ZDDP的理化性能见表2。FeS微粒以纯FeS粉末作为原料，硬度为70～100 HV0.05，将FeS原料经酒精分散后用DECO-PBM-V-2 L-A高能球磨机研磨14 h左右，静置24 h后浮选出粒度约为0.5 μm的粉末(用M-2000激光粒度分析仪测试 FeS微粒的粒度)，干燥处理后按1%～4%的比例添加到部分润滑油中(质量分数，下同)，不添加任何分散剂，混合均匀后备用(以下简称复合油)。用 LAC214电子天平(精确度0.1 mg)称量FeS微粒质量，采用重力沉降法评价所配置的含FeS微粒润滑油的悬浮稳定性，用JEOL-2011透射电镜观察FeS微粒的形貌。

沿缸套圆周方向将其以9°均匀分割，再切成43 mm等长小段作为缸套试样，尺寸为43 mm×8.6 mm×8 mm；沿活塞环圆周方向将其以18°均匀分割，作为环试样，尺寸为20 mm×17 mm×3 mm。缸套试样用汽油、酒精进行超声波清洗15 min，吹干后，利用LD-MC-15A化学热处理设备，对缸套内表面进行离子碳氮共渗-渗硫复合处理(以下简称复合改性层)。复合处理时，先在炉内通入氨气，渗氮处理4 h 后，再通入1% 的丙烷气体，进行离子碳氮共渗处理2 h，随炉冷却后，以单质硫粉为供硫剂，氨气为辅助气体，进行低温离子渗硫。经优化后的化学热处理工艺参数见表3。

表1 CrMoCu合金铸铁化学成分

表2 润滑油添加剂主要理化指标

表3 表面化学处理工艺参数

试验采用对置往复式摩擦磨损试验机，试验结构示意见图1。图1中，环试样作为上试样,固定在加载压头上，工作面朝下,固定不动；缸套试样作为下试样，固定在滑块上，工作面向上，随滑块作往复直线运动。试验参数：电动机转速为200 r/min(最大线速度约为0.315 m/s)，往复行程为30 mm，采用滴油润滑方式，供油量约为0.1 mL/min，复合润滑油通过加油孔连续供应到摩擦副界面上。缸套试样表面温度为150 ℃(用K型热电偶测温)，在试验载荷为300 N时考查FeS微粒添加量对复合改性层耐磨性的影响。在载荷分别为20，100，200，300 N时，测试复合改性层与润滑油、复合油协同作用的摩擦学性能，所有试验时间均为30 min。试验载荷通过试验机的砝码加载机构加载在压头上，电动机的旋转运动通过试验机的往复运动系统转变为滑块的往复直线运动，摩擦系数由计算机采集并记录[13]。

从试验前后的缸套试样和环试样上分别切下若干个小块样品，用WQ-9金属清洗剂经超声波清洗后,制成不同种类、不同规格尺寸的观测试样。用NanoTest 600纳米压痕仪测试FeS粉末材料及渗硫层的硬度,用带有能谱仪(Oxford 7573)JSM-6460LV及Hitachi S-3400n扫描电子显微镜，观察和分析复合改性层表面、截面、磨损表面形貌及成分。采用D/max-RB X射线衍射仪(XRD)分析复合改性层表面物相结构。用MH-6显微硬度计测试缸套、活塞环试样的表面显微硬度，用PHI-5300ESCA X射线光电子能谱仪(XPS)分析元素的化学价态；用LK-200M表面轮廓仪测量和计算磨损体积损失。所有试验结果均取3次测试结果的平均值。

图1 对置往复式摩擦磨损试验结构示意

2 试验结果与分析

2.1 复合改性层的形貌与组织结构性能

图2示出复合改性层的表面微观形貌。从图2可见，复合改性渗硫层由许多近似球状的FeS颗粒随机叠加而成,呈疏松多孔结构，硫化物颗粒尺寸大小在0.5～0.8 μm。图3示出复合改性层截面形貌，其中白亮带为渗硫层，渗硫层下面为碳氮共渗层。经测试复合改性层厚度约为15 μm，其中渗硫层的厚度约为4 μm，碳氮共渗层厚度约为11 μm。经测定碳氮共渗层的平均显微硬度为772 HV0.05，比基体的平均硬度297.4 HV0.05提高1.6倍。硫化物层的平均硬度约为80 HV0.05，碳氮共渗-渗硫复合改性层的平均硬度为732.2 HV0.05。由此可知通过碳氮共渗-渗硫复合处理后，气缸套试样内表面形成了最表层较软、次表层硬度较高、与基体良好过渡的理想摩擦表面[14]，这有利于进一步提高缸套内表面的摩擦学性能。

图4示出复合改性层的X射线衍射分析图谱。由图4可知，复合改性层主要由FeS，FeS2，Fe2C和Fe3N 等相组成，碳氮共渗次表层主要由Fe3N 相和Fe2C相组成。其中 Fe2C为正交结构，属硬脆相，Fe3N相为密排六方结构，属高硬度相，Fe3N相的存在是碳氮共渗层硬度较高的原因。复合改性层表面的渗硫层主要由FeS 相及FeS2相组成，FeS具有密排六方结构，可以起到固体润滑减摩作用，而FeS2为正交或立方结构，不具备润滑性能。

图2 复合改性层表面形貌

图3 复合改性层截面形貌

图4 复合改性层XRD 图谱

图5示出复合改性层中S元素的XPS分谱。从图5可以看出，S元素的结合能为161.58 eV，与FeS的标准结合能161.6 eV相吻合，这表明复合改性层中的硫化物主要以超润滑固体FeS相存在，保证了复合改性层表面具有良好的自润滑减摩性能。

图5 复合改性层表面渗硫层XPS能谱

2.2 FeS微粒形貌与悬浮稳定性

图6示出FeS微粒的TEM形貌照片，图7示出添加到润滑油中混合均匀静置6 d后，试管中润滑油和复合油的照片。从图6可见，由FeS粉末经研磨浮选出的粒度0.5 μm FeS微粒主要呈不规则的片状结构，经测试其平均粒度约为0.45 μm，平均厚度约为15 nm，在自然状态下存在着明显的团聚现象。FeS微粒添加到润滑油中经超声分散混合均匀静置6 d后，添加量小于4%的复合油均没有出现明显的分层或沉底现象，添加量为4%时有少量的FeS微粒发生团聚沉淀现象。这表明所配置的复合油在一定的时间内具备较好的稳定分散性，可以用于后续试验。

图6 FeS微粒的TEM形貌

图7 试管中复合油的照片

2.3 不同FeS微粒添加量下的摩擦学性能

表4列出载荷为300 N时，缸套试样表面磨损体积随润滑油中FeS微粒添加量的增加而变化的测试结果。从表4可知，随FeS微粒在润滑油中添加量的增加，缸套试样表面磨损体积先减小后增加，当FeS微粒添加量为2.5%时，缸套试样表面磨损体积最小，为3.243×10-3mm3,相对添加量为1%时减少47.6%，相对添加量为4%时减少69.4%。这是因为，当润滑油中FeS微粒添加量较少时,能够吸附到缸套试样表面上的FeS微粒数量较少，对缸套试样表面起不到很好的保护和固体润滑作用，故缸套试样表面磨损体积较大。由于FeS微粒尺寸小、表面能高以及油溶性差[14]等，当润滑油中FeS微粒添加量过多时,容易发生团聚沉淀现象，会影响FeS微粒在磨损表面上的吸附效果，再者，FeS微粒团聚后粒径增大，会引发“磨粒”磨损现象,故缸套试样表面磨损体积较大。因此，FeS微粒在润滑油中的添加量以2.5%为佳。以下试验中所述的复合油，如没特殊说明，FeS微粒的添加量均为2.5%。

表4 FeS微粒添加量与磨损体积的关系

2.4 不同载荷下缸套试样表面的磨损形貌

图8示出载荷分别为20 N和300 N时，在复合油润滑条件下，摩擦磨损试验结束后，缸套试样表面磨损形貌和FeS微粒留存的SEM照片。从图8a可见,当载荷较小时，缸套试样表面上留存的FeS微粒数量较少,分布较不均匀且断续，总的覆盖面积较小，这表明复合改性层与复合油的协同作用效果不明显。其磨损表面上存在有较浅的犁沟和少量较小磨屑粒子，大量的渗硫层仍较为完整地存在，这表明在轻载工况下，复合渗硫层良好的自润滑减摩作用可以在较长时间内得到充分地发挥。从图8b可见,当载荷为300 N时，缸套试样磨损表面上留存的FeS微粒数量相对载荷为20 N时显著增加，形成了有效的FeS微粒保护层，总的覆盖比例增大，FeS微粒之间的间距减小，这表明复合改性层与复合油的协同作用效果明显增强。但缸套试样磨损表面犁沟的深度有所增加，而且部分犁沟因FeS微粒的存在而不连续，磨损表面有明显的擦痕。受到FeS微粒保护的硫化物层破坏程度较为轻微，渗硫层仍清晰可见，而未受到FeS微粒保护的硫化物已被磨穿，局部存在有少量较大的片状磨屑和较多的划痕，这表明在较为苛刻工况下，未受保护的渗硫层会迅速遭受破坏而失去其良好的减摩抗磨作用。

图8 不同载荷下缸套试样表面磨损形貌

2.5 不同润滑条件下缸套与环试样表面的磨损形貌

图9和图10分别示出载荷为200 N时，在润滑油和复合油润滑条件下缸套和活塞环试样表面的磨损形貌。从图9a可见，在润滑油润滑下，缸套试样磨损表面有许多连续、较宽、浅的划痕和沟槽，多数硫化物层已被磨穿，在磨损表面上还存在一些尺寸较大球状磨粒,显然其磨损机制以磨料磨损为主。从图9b可见，环试样表面上存在较多连续、较窄、深的划痕和沟槽，沟槽侧面存在黏着撕裂现象，磨损表面上的FeS硫化物少而稀薄。在磨损表面上还黏附有大量细小的粒状磨料，整个磨损表面显得比较粗糙，破坏程度较为严重，显然其磨损机制以磨料磨损为主，黏着磨损为辅。

从图10a可见，在复合油润滑下，缸套试样磨损表面只有少量不连续的划痕，留存的FeS微粒数量较多，且分布较为均匀，表面磨损破坏程度轻微。从图10b可见，环试样表面上有少量不连续的划痕和较宽浅的犁沟以及少量的磨粒，表面有轻微擦痕，留存的FeS微粒数量较少，FeS转移膜清晰可见，可继续起到减摩润滑作用，表面磨损破坏程度相对润滑油润滑较轻，显然其磨损机制均以磨料磨损为主。

图9 润滑油润滑下缸套和环试样表面磨损形貌

图10 含FeS微粒润滑油润滑下缸套和环试样表面磨损形貌

2.6 载荷对缸套/环摩擦学性能的影响

表5、表6分别列出在润滑油和复合油润滑下，缸套与环试样表面摩擦系数及磨损体积随载荷的变化测试统计结果。从表5、表6可知，在润滑油和复合油润滑下，缸套试样表面的摩擦系数都随载荷的增加而减小，磨损体积均随载荷的增加而增大，但在不同试验载荷作用下，相对于润滑油润滑，使用复合油润滑时缸套和环试样表面摩擦系数和磨损体积始终都较小，配副性提高。

表5 润滑油润滑下摩擦系数和磨损体积随载荷的变化

表6 复合油润滑下摩擦系数和磨损体积随载荷的变化

2.7 磨损表面能谱分析

在试验过程中发现，当载荷为20 N时，缸套和活塞环试样磨损表面成分主要为基体元素，几乎没有边界薄膜的形成，随着载荷的增加，基体以外元素含量逐渐增加，磨损表面发生了较为复杂的化学反应。为了分析在摩擦磨损过程中磨损表面上可能生成的边界薄膜，对载荷200 N和在复合油润滑下，缸套试样磨损表面主要元素成分进行了EDX分析，结果见图11。

图11 典型磨损表面EDX能谱

从图11可知，缸套试样磨损表面存在着较多的Fe元素和O元素，少量的N、C、Zn、P、S等元素，其中Fe、N、C、S来自于基体，O来自于大气，Zn、P、S为润滑油添加剂分解元素。通过进一步对磨痕表面元素化学价态XPS分析可知：O1s的结合能位于529.8 eV，530.8 eV，531.8 eV，分别对应的氧化物为FeO，Fe3O4，FeSO4；Fe2p的结合能位于707.1 eV，712.7 eV，分别对应于单质Fe和硫化物FeS；N1s的结合能位于401.4 eV，对应于氮化物Fe3N；Zn2p的结合能位于1 022.6 eV，对应于磷酸锌；P2p的结合能位于133.4 eV，对应于磷酸盐[15]。这表明在缸套试样磨损表面主要形成了以FeO、Fe3O4、FeS、FeSO4和磷酸盐为主的边界润滑薄膜。其中：FeO、Fe3O4具有减摩性能[16]，FeSO4是FeS的氧化物，不具有减摩性能，但可起抗摩作用；Fe3N是碳氮共渗层中的硬质相，具有优良的抗磨性能；磷酸盐具有优良的抗氧化、抗磨损和抗腐蚀性能。

2.8 讨论

FeS是一种典型的固体润滑材料，将FeS粉末作为添加剂加入到润滑油中,可以起到分担载荷的作用，从而提高润滑油的极压性能[17]，有利于润滑油膜的建立，使油膜的耐压性增加。因此,在苛刻工况下，当润滑油膜形成十分困难时，在润滑油中添加FeS微粒可起固体润滑作用，能补充单一液体润滑方式的不足，减少材料的摩擦磨损。

在摩擦磨损过程中，当FeS微粒随润滑油不断地进入缸套/环试样内外表面时，由于FeS微粒为0.5 μm的较小微米级固体粒子，具有较大的表面能。当摩擦副表面发生磨损时，机械能转化为热能，摩擦副表面温度升高，磨损新鲜表面裸露，则缸套内表面和活塞环外表面的活性增大，对FeS微粒产生的物理吸附、化学吸附作用增强[18]，FeS微粒可以不断地被吸附在摩擦副表面上，在外加载荷正压力的作用下，贴附在摩擦表面上形成吸附层。由于FeS微粒与基体之间属于机械结合，结合强度有限，在外加载荷正压力的作用下可能会与基体之间结合得更密实而留存在摩擦副表面上，也可能在外加载荷切向力的作用下脱落，但只要摩擦副接触界面之间有复合油的存在，FeS微粒对摩擦副表面材料的保护和固体润滑作用就会继续[19]。同时摩擦副表面也会发生较为复杂的化学反应，生成不同类型的边界薄膜，协同润滑油油膜、FeS微粒吸附层，可以对渗硫层起到很好的保护作用，使得渗硫层在次表层较高硬度碳氮共渗层的支撑下，发挥其阻碍摩擦副金属间直接接触，避免或降低黏着磨损等作用[20]，从而提高摩擦副表面材料的耐磨性。

当载荷较小，为20 N时，环试样作用在缸套试样表面的正压力较小，摩擦机械能转化为热能有限,对FeS微粒产生的物理吸附、化学吸附作用较差，吸附到摩擦副表面上FeS微粒数量少，FeS微粒与基体之间的结合不紧密，结合强度较低，能够留存在摩擦副表面上FeS微粒数量更少(如图8a)，形不成有效的保护隔离层，此时缸套/环试样表面材料直接对磨的比例较大，FeS微粒对摩擦副表面的保护作用没得到应有的发挥，故认为复合改性层与复合油协同作用效果不明显。

当载荷较小时，摩擦副表面之间发生的摩擦磨损较为温和，其表面之间会有较多的微凸体存在[21]，表面粗糙度相对较大。同时产生的摩擦热量少、温度低，摩擦副表面的化学反应难以进行，生成的FeO，Fe3O4，FeS，FeSO4和磷酸盐等的边界薄膜数量少、厚度小。再者，如上所述，在摩擦副接触区域吸附的FeS微粒数量也较少，因此，边界薄膜和FeS微粒吸附层减摩抗磨作用均较差。上述综合作用导致摩擦系数较大。当温度低时，润滑油黏度较大，油膜厚度大，有利于润滑油减摩作用的发挥。当载荷小时，渗流层的磨耗小，延长了渗硫层的存在时间，渗硫层和润滑油油膜协同减摩抗磨作用能够得到持续的发挥，减少了摩擦磨损。上述综合作用使得摩擦副表面磨损体积均较小。

当载荷逐渐增加时，环试样作用在缸套试样表面的正压力亦逐渐增大，机械能转化为热能相应提高，对FeS微粒产生的物理吸附、化学吸附作用也都随之增强，摩擦副表面上FeS微粒吸附量和留存量随之增加，能够形成有效的FeS微粒保护层。此时摩擦副表面之间的摩擦磨损将大部分发生在FeS微粒之间，FeS微粒吸附层的保护与固体润滑作用得到了充分发挥，故认为复合改性层与复合油协同作用效果明显增强。同时摩擦副表面的微凸体所承受的正压力和剪切力均较大，微凸体会发生剪切而断裂[22]，被迅速磨平，摩擦副表面之间的接触形式由点接触转为面接触。摩擦磨损加剧产生的摩擦热量大，摩擦表面温度升高，化学反应速度加快，可生成有效的边界薄膜。如上所述,在接触区域吸附的FeS微粒数量增加，弥补了渗硫层和润滑油膜在重载、高温下减摩润滑的不足，从而削弱了黏着作用，对磨损表面起修补作用，使接触表面平整化。上述综合作用导致摩擦系数随着载荷逐渐增加而降低。

当载荷增大至300 N时，润滑油膜厚度会明显减薄，较薄的润滑油膜在重载作用下容易被刺穿[23]，硬度较低且较薄的渗硫层也会迅速被磨损破坏掉，虽然在摩擦瞬时高温的作用下油膜会重新再生，补偿渗硫层的摩擦损失，但这种补偿作用往往是有限的[24]，因此会失去其固体润滑薄膜的减摩抗磨作用。当渗硫层被磨损破坏后，次表层的碳氮共渗层便会暴露出来，由于碳氮共渗层硬度高，自润滑减摩性远不如渗硫层，会增加环试样的磨损量，摩擦副的匹配性变差。此时，虽然在缸套/环试样接触区域吸附的FeS微粒数量较多，但由于FeS微粒与摩擦副表面属于机械结合，与基体之间的结合力有限，在摩擦切向力的作用下，难以在摩擦表面上长期存在，FeS微粒吸附层处于一个不断形成、不断脱落的动态循环状态。再者，由于受FeS微粒最佳添加量的限制，形成的吸附层往往是不连续的，会破坏润滑油膜的完整性，且FeS微粒在摩擦表面上的吸附存在着较大的随机性，滑移面不一定正好与摩擦力作用方向一致[25]，而渗硫层可沿摩擦方向转动配列[26]，因此，FeS微粒吸附层的作用效果相比通过化学处理形成的渗硫层，自润滑减摩耐磨性能较差。上述综合作用致使摩擦副表面磨损体积均随着载荷逐渐增加而增大。

在摩擦磨损的过程中，由于摩擦副表面材料以及润滑介质受外载、摩擦、温升、自催化等的共同作用，会发生较为复杂的摩擦化学反应，在磨损表面上会生成不同类型的边界薄膜[27]，从而避免胶合、黏着，进而提高材料的耐磨性。一般Fe的氧化物主要有FeO、Fe3O4和Fe2O3，其中FeO的形成在570 ℃以上，Fe3O4的形成温度在200～570 ℃，Fe2O3在200 ℃以下形成[28]。当摩擦表面的温度低于润滑油添加剂的闪点温度(241 ℃)时(见表 2)，润滑油添加剂自催化的热分解反应速度比较缓慢；当摩擦表面的温度高于润滑油添加剂的闪点温度时,其热分解反应速度会迅速加快，分解出S、Zn、P等元素，和大气中的O元素发生热氧化反应，生成固体聚磷酸盐和有机硫，固体聚磷酸盐会与铁的氧化物继续发生化学反应生成新的磷酸盐[29]。当摩擦表面的瞬时温度超过FeS硫化物和铁的共晶温度(988 ℃)时，FeS即发生分解与重生反应[30]。随着摩擦表面温度的升高，边界薄膜的生长速率也会逐渐提高，厚度增大。

在相同的试验条件下，在与复合油协同使用时，缸套试样和活塞环试样表现出不同的摩擦学性能，产生差异的原因主要为缸套试样最表面的渗硫层为疏松多孔的结构，该结构有如下优点：1)有利于储存并保持润滑介质，增强液体的润滑效果[31]；2)有利于FeS微粒的吸附，增加其表面的FeS微粒吸附留存量，能够形成有效的FeS微粒吸附层；3)有利于O元素的扩散，可以促使摩擦表面氧化物薄膜的形成，渗硫层分解出的Fe原子加快了磷酸盐、硫化物等化学反应膜的形成。因而缸套试样表面存在的FeS微粒数量较多，磨损破坏程度较为轻微，如图9、图10所示。而活塞环试样表面为CrN涂层，致密性高[32]，难以储存润滑油，不利于润滑油膜的建立，不利于基体、润滑油成分和O元素的扩散和吸附，边界薄膜难以形成，也不利于FeS微粒的吸附。虽然其硬度高，但没有自润滑特性,减摩性能差。因而活塞环试样表面留存的FeS微粒数量较少，磨损破坏程度较为严重。

在内燃机的实际应用中，随着时间的延长，工况的变化，当渗硫层逐渐磨耗掉或遭受严重破坏、润滑油膜形成十分困难时，添加到润滑油中的FeS微粒可以不断地吸附到缸套内表面和环外表面上，对其表面材料起保护和固体润滑作用，减少了摩擦副表面材料之间直接接触的比例，这在一定程度上会减少缸套与活塞环表面的磨损量。当载荷增大时，缸套内表面和环外表面上的FeS微粒吸附量和留存量随载荷的增大而增加，提高了摩擦副表面之间的覆盖率，使摩擦副表面材料之间的摩擦磨损更多地发生在FeS微粒上，使得缸套与活塞环表面的磨损量不因载荷的增大而迅速增加，提高了缸套和活塞环的配副性。

3 结论

a)CrMoCu合金铸铁缸套内表面经离子碳氮-渗硫复合改性处理后，最表层主要以超润滑固体FeS相为主，次表层氮碳共渗层主要由Fe3N和Fe2C相组成，复合改性层硬度为732.2 HV，碳氮共渗层能够为渗硫层提供有效的支撑，有利于渗硫层减摩抗磨作用的充分发挥；

b)FeS微粒在润滑油中的最佳添加量为2.5%，添加到润滑油中的FeS微粒，在摩擦磨损过程中可以不断被吸附在缸套与环试样内外表面上形成吸附层，对摩擦副表面材料起保护和固体润滑作用，补充渗硫层的损失，弥补渗硫层厚度较薄的缺点和润滑油在苛刻工况下润滑方式的不足；

c)FeS微粒吸附层与摩擦副表面属于机械结合，在摩擦磨损过程中难以在摩擦表面上长期存在，FeS微粒吸附层处于一个不断形成、不断脱落的动态循环状态，且形成的吸附层不连续，其作用效果相比通过化学处理形成的渗流层差；

d)在其他试验条件基本相同的情况下，轻载时，摩擦副表面材料活性、能量和温度均较低，吸附和能够留存在摩擦副表面上的FeS微粒数量均较少,边界润滑油膜难以形成，复合改性层与复合油协同作用效果不明显；重载时，其协同作用效果更为优良，相对于润滑油润滑，缸套试样表面耐磨性提高了53.1%,环试样表面的耐磨性提高了49.9%，缸套与环试样的配副性提高51.6%。