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激光表面织构微坑形貌及面积占有率对氮化气缸套摩擦学性能的影响∗

  • 徐阳阳1

    机 构：

    1. 大连海事大学材料科学与工程系 大连 116026

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  • ， 韩晓光1,3

    机 构：

    1. 大连海事大学材料科学与工程系 大连 116026

    3. 大连海事大学船机修造工程重点实验室 大连 116026

    ×
  • ， 徐久军1,2,3

    机 构：

    1. 大连海事大学材料科学与工程系 大连 116026

    2. 大连海事大学海底工程技术与装备国际联合研究中心 大连 116026

    3. 大连海事大学船机修造工程重点实验室 大连 116026

    ×
  • ， 单英春1,2,3

    机 构：

    1. 大连海事大学材料科学与工程系 大连 116026

    2. 大连海事大学海底工程技术与装备国际联合研究中心 大连 116026

    3. 大连海事大学船机修造工程重点实验室 大连 116026

    ×
  • ， 陈玉珍1,3

    机 构：

    1. 大连海事大学材料科学与工程系 大连 116026

    3. 大连海事大学船机修造工程重点实验室 大连 116026

    ×
  • ， 黄若轩1,2,3

    机 构：

    1. 大连海事大学材料科学与工程系 大连 116026

    2. 大连海事大学海底工程技术与装备国际联合研究中心 大连 116026

    3. 大连海事大学船机修造工程重点实验室 大连 116026

    ×

1. 大连海事大学材料科学与工程系 大连 116026；
2. 大连海事大学海底工程技术与装备国际联合研究中心 大连 116026；
3. 大连海事大学船机修造工程重点实验室 大连 116026；

Effect of Surface Texture Micro-pit Morphology and Area Density on Tribological Properties of Nitrided Cylinder Liner

  • XU Yangyang1

    Affiliation：

    1. Department of Materials Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

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  • ， HAN Xiaoguang1,3

    Affiliation：

    1. Department of Materials Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    3. Key Laboratory of Ship-Machinery Maintenance & Manufacture, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

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  • ， XU Jiujun1,2,3

    Affiliation：

    1. Department of Materials Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    2. International Joint Research Center for Subsea Engineering Technology and Equipment, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    3. Key Laboratory of Ship-Machinery Maintenance & Manufacture, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

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  • ， SHAN Yingchun1,2,3

    Affiliation：

    1. Department of Materials Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    2. International Joint Research Center for Subsea Engineering Technology and Equipment, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    3. Key Laboratory of Ship-Machinery Maintenance & Manufacture, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    ×
  • ， CHEN Yuzhen1,3

    Affiliation：

    1. Department of Materials Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    3. Key Laboratory of Ship-Machinery Maintenance & Manufacture, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    ×
  • ， HUANG Ruoxuan1,2,3

    Affiliation：

    1. Department of Materials Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    2. International Joint Research Center for Subsea Engineering Technology and Equipment, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

    3. Key Laboratory of Ship-Machinery Maintenance & Manufacture, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China

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1. Department of Materials Science and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China；
2. International Joint Research Center for Subsea Engineering Technology and Equipment, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China；
3. Key Laboratory of Ship-Machinery Maintenance & Manufacture, Dalian Maritime University, Dalian 116026 , China；

作者简介:

韩晓光(通信作者),男,1974年出生,博士,副教授。主要研究方向为内燃机摩擦学。E-mail:xghandl@163.com;

徐久军,男,1967年出生,博士,教授。主要研究方向为内燃机摩擦学。E-mail:xu.jiujun@163.com

中图分类号:TG156;TB114

DOI:10.11933/j.issn.1007-9289.20210413001

参考文献 1
付现桥,韩彬,王勇,等.TA2 表面激光气体氮化组织结构和耐蚀性研究[J].中国激光,2011,4:94-99.FU Xianqiao,HAN Bin,WANG Yong,et al.Study on structure and corrosion resistance of the TA2 surface of laser gas nitriding [J].Chinese Journal of Lasers,2011,4:94-99.(in Chinese)
查找原文
参考文献 2
岳锋,张松杨.合金硼铸铁软氮化气缸套的研制[J].机车车辆工艺,2009,6:1-4.YUE Feng,ZHANG Songyang.Development of alloy boron cast iron soft-nitriding cylinder liner [J].Locomotive and Rolling Stock Technology,2009,6:1-4.(in Chinese)
查找原文
参考文献 3
SHI C,YU A,WU J,et al.Comparisons of tribological properties between laser and drilled dimple textured surfaces of medium carbon steel[J].Industrial Lubrication and Tribology,2017,69(4):516-526.
查找原文
参考文献 4
何江涛.飞秒激光加工的轴承钢表面微织构润滑减摩特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.HE Jiangtao.Research on anti-friction property of textured surface of bearing steel processed by femtosecond laser [ D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2017.(in Chinese)
查找原文
参考文献 5
符永宏,刘强宪,叶云霞,等.同点间隔多次激光微织构工艺研究[J].中国激光,2015,42(12):1203005.FU Yonghong,LIU Qiangxian,YE Yunxia,et al.Research on laser surface micro texturing processing of single pulse intervals [J].Chinese Journal of Lasers,2015,42(12):1203005.(in Chinese)
查找原文
参考文献 6
GALDA L,PAWLUS P,SEP J.Dimples shape and distribution effect on characteristics of stribeck curve [J].Tribology International,2009,42(10):1505-1512.
查找原文
参考文献 7
PODGORNIK B,VILHENA L,SEDLAEK M,et al.Effectiveness and design of surface texturing for different lubrication regimes[J].Meccanica,2012,47(7):1613-1622.
查找原文
参考文献 8
WANG B,CHANG Q,QI Y.Effect of laser surface texture on the tribological properties of different materials under dry friction [J].Tribology,2014,34(4):408-413.
查找原文
参考文献 9
ZHAN X H,YI P,LIU Y C,et al.Effects of single and multishape laser-textured surfaces on tribological properties under dry friction[J].Journal of Mechanical Engineering Science,2020,234(7):1382-1392.
查找原文
参考文献 10
华希俊,张加力,解玄,等.GCr15 轴承钢表面的激光凹/凸微织构工艺[J].中国激光,2019,46(3):0302009.HUA Xijun,ZHANG Jiali,XIE Xuan,et al.Laser concave/convex micro-texture process of GCr15 bearing steel surface[J].Chinese Journal of Lasers,2019,46(3):0302009.(in Chinese)
查找原文
参考文献 11
SHUM P W,ZHOU Z F.To increase the hydrophobicity and wear resistance of diamond-like carbon coatings by surface texturing using laser ablation process [J].Thin Solid Films,2013,544(4):472-476.
查找原文
参考文献 12
刘一静,袁明超,王晓雷.表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响 [J].中国矿业大学学报,2009,38(6):866-871.LIU Yijing,YUAN Mingchao,WANG Xiaolei.Influence of the surface texture on the tribological performances of piston skirt/liner[J].Journal of China University of Mining and Technology,2009,38(6):866-871.(in Chinese)
查找原文
参考文献 13
刘强,刘思思,刘金刚,等.激光微织构化铝合金表面的摩擦磨损研究[J].有色金属工程,2019,9(9):67-72.LIU Qiang,LIU Sisi,LIU Jingang,et al.Study on friction and wear of laser micro-textured aluminum alloy surface [J].Nonferrous Metals Engineering,2019,9(9):67-72.(in Chinese)
查找原文
参考文献 14
苗嘉智,郭智威,袁成清.表面织构对内燃机缸套-活塞环系统摩擦性能的影响 [J].摩擦学学报,2017,37(4):465-471.MIAO Jiazhi,GUO Zhiwei,YUAN Chengqing.Effect of textured surface on the friction performance of cylinder liner-piston ring system in the internal combustion engine[J].Tribology,2017,37(4):465-471.(in Chinese)
查找原文
参考文献 15
SU Y S,HE N.Experiment study on micro-texture of laser machining cemented carbide tools[J].Chinese Journal of Laser,2014,41(6):66-72.
查找原文
参考文献 16
AHUIR-TORRES J I,ARENAS M A,PERRIE W,et al.Influence of laser parameters in surface texturing of Ti6A14V and AA2024-T3 alloys [J].Optics and Lasers in Engineering,2018,103:100-109.
查找原文
参考文献 17
LI C D,WANG W W,JIN M,et al.Friction property of MoS2 coatings deposited on the chemical etched surface of Al-Si alloy cylinder liner[J].Journal of Tribology,2018,2:2-13.
查找原文
参考文献 18
金梅,韩晓光,董文仲,等.FeNi 合金镀铁缸套的摩擦磨损性能[J].中国表面工程,2016,29(5):122-128.JIN Mei,HAN Xiaoguang,DONG Wenzhong,et al.Friction and wear properties of FeNi alloy plated cylinder liner [J].China Surface Engineering,2016,29(5):122-128.(in Chinese)
查找原文
参考文献 19
温诗铸,黄平.摩擦学原理[ M].北京:清华大学出版社,2012.WEN Shizhu,HUANG Ping.Principles of tribology [ M ].Beijing:Tsinghua University Press,2012.(in Chinese)
查找原文
参考文献 20
HAN X J,SUN J G,ZHANG P,et al.Research on discriminating partition laser surface micro-texturing technology of engine cylinder [J].Tribology International,2016,98:190-196.
查找原文
目录contents

    摘要

    针对氮化气缸套由于自身存在表面应力高、易变形等使其难以满足高强化内燃机气缸套要求的问题,以氮化气缸套-PVD 活塞环为研究对象,采用 Nd-YAG 脉冲激光器在氮化气缸套表面进行织构化处理,研究脉冲激光参数对气缸套表面微织构微坑形貌及面积占有率对摩擦副摩擦磨损性能的影响,并分析其影响机制。 发现织构微坑直径随激光能量密度、脉冲次数、离焦量增加而增大,而微坑深度随能量密度、脉冲个数、离焦量的增加呈先增大后减小的趋势。 不同面积占有率织构对气缸套-活塞环摩擦副均具有减摩耐磨作用,与无织构缸套摩擦副相比,微织构气缸套的摩擦因数降低 10. 07% ~ 1. 58%;磨损量降低 26. 71% ~ 46. 19%;微织构气缸套对应的活塞环试样磨损量降低 10. 12% ~ 50. 19%;微织构气缸套的拉缸时间提高了 2. 1~2. 8 倍。 最低摩擦因数和磨损量及最佳抗拉缸性能均在面积占有率为 10%的织构摩擦副获得。 微织构改善气缸套摩擦副摩擦磨损性能的机制为贮存润滑油,减少摩擦副接触面积以及捕捉磨屑,减小磨粒磨损。 获得了高强化条件下氮化气缸套织构化对其摩擦学性能的影响规律,可为开发高强度内燃机提供试验支持。

    Abstract

    Nitrided cylinder liner was difficult to meet the requirements of new high strength internal combustion engine because of its high surface stress and easy deformation. Micro surface textures with varied area density were prepared on the surface of nitrided cylinder in cylinder liner-PVD piston ring test rig by Nd-YAG pulse laser. The effect of pulse laser parameters on the morphology of micro-pit on the surface of the cylinder liner and the friction and wear properties of the friction pair were studied, and the influence mechanism was analyzed. It was found that the texture pit diameter increased with the increased of laser energy density, pulse number and defocusing distance, while the pit depth increased first and then decreased with the increased of laser energy density, pulse number and defocusing distance. Different area density texture had anti-friction and wear-resistant effect on cylinder liner-piston ring friction pairs. Compared with Un-textured cylinder liner friction pairs, the friction coefficient of micro-textured cylinder liner decreased by 10. 07% ~ 21. 58%. The wear loss decreased by 26. 71% ~ 46. 19%; The wear of piston ring specimen corresponding to micro-textured cylinder liner decreased by 10. 12% ~ 50. 19%; The cylinder scuffing time of micro-textured cylinder liner was increased by 2. 1 ~ 2. 8 times. The minimum friction coefficient, wear amount and the best anti-scuffing performance were obtained in the textured friction pair with an area density of 10%. The mechanism of micro-texture improving friction and wear performance of cylinder liner friction pair was to store lubricating oil, reduce the contact area of friction pair, capture debris resulted in the reduction of abrasive wear. The influence of textured nitrided cylinder liner on its tribological properties was summarized under high strengthening conditions, which provided experimental support for the development of high strength internal combustion engine.

  • 0 前言

  • 氮化气缸套因具有良好的耐磨性、抗腐蚀性、及优良的耐热性能受到国内外学者的关注[1]。然而, 随着高强化柴油机的发展小型化、轻量化要求,气缸套-活塞环所承受机械和热负荷不断增加,同时国家环保对节能减排标准的提高,氮化气缸套自身存在表面应力高、易变形等使其很难满足新型高强度内燃机对于气缸套的要求[2]。

  • 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[3-5]。一方面摩擦副表面微织构可以储存润滑油,在缺乏润滑时提供补充,在完全或混合润滑状态下产生流体动压效应,提高油膜承载力,改善摩擦副的润滑状态。 GALDA等[6]采用环-块试验研究微织构微坑形状对摩擦副润滑状态的影响,发现微坑形貌是影响摩擦副润滑状态的主要因素。 PODGORNIK等[7] 采用Nd-YAG激光器在AISI52100钢表面制备微织构,研究了不同润滑状态下微织构的减摩效果,发现在贫油润滑条件下, 微织构会增大摩擦副的摩擦因数,在边界润滑及充分润滑条件下,微织构显著降低摩擦因数,并且微坑深度增加可以增强减摩效果。另一方面在干摩擦及润滑条件下,微织构均可起捕捉磨屑作用,改善摩擦副的摩擦磨损性能[8-9]。表面织构对摩擦副摩擦磨损性能的影响主要受摩擦副的润滑状态、本身性质以及表面织构参数的综合作用。

  • 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[10-11]。刘一静等[12] 通过电解加工在活塞环表面加工不同直径、深度的织构, 发现直径250 μm、深度5 μm的表面织构在载荷200N、转速200r/min的条件下比没有织构的试样摩擦因数降低了37.8%。刘强等[13]采用脉冲YAG激光器在铝合金表面加工了不同直径的圆形织构,发现当微坑直径为60 μm、面积占有率为4.91%时,铝合金表面具有最佳的减摩、抗磨性能。在材料表面激光加工织构的过程中,激光参数是微坑形貌的重要影响因素[14],不同材料激光加工参数对微坑形貌影响不同。苏永生等[15] 研究发现,随着激光能量密度的增加,激光加工沟槽的宽度和激光加工微坑的直径都会增加,而随着激光重复频率的增加,激光加工沟槽宽度和微坑直径都会减小。 AHUIR-TORRES等[16]通过在Ti6Al4V和AA2024-T3表面激光织构化处理,发现随着激光脉冲次数增加,微坑深度在一定范围内呈线性增大,微坑直径有一定程度的增大。

  • 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 试验

  • 1.1 试验设备和材料

  • 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)。

  • 图1 气缸套-活塞环试样的表面形貌

  • Fig.1 Surface morphologies of cylinder liner-piston ring samples

  • 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1 060nm,脉冲宽度1 μs,光斑直径100 μm,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[17-18] 进行摩擦磨损性能试验,试验机往复运动行程30mm,施加载荷范围为0~380MPa,加热温度范围为25~300℃,转速范围为5~3 000r/min(最大线速度为0.008~4.725m/s),且长时间加载稳定。采用RP-4652D(15W-40,CF-4) 加氢润滑油作为润滑介质,润滑油的运动黏度、低温动力黏度、高温剪切黏度等主要理化指标见表2,润滑油通过蠕动泵定量供给,供给量为0.1mL/min。

  • 表1 激光器参数

  • Table1 Laser parameters

  • 表2 RP-4652D润滑油主要理化指标

  • Table2 Main physicochemical indexes of RP-4652D lubricating oil

  • 1.2 试验条件及表征

  • 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Everone MH-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OLYMPUS LEXT OLS400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-SUPRA 55SAPPHIRE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。

  • 图2 试样磨损量测量示意图

  • Fig.2 Sample wear measurement schematic diagram

  • 1.3 微织构制备

  • 1.3.1 激光参数对微坑形貌的影响

  • 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/cm 2,离焦0~1 200 μm条件下,分析微坑直径和深度随能量密度、脉冲个数以及离焦量的变化规律。图3为微坑直径和深度随能量密度、脉冲个数、离焦量的变化曲线。图3a为在脉冲个数为15次、焦点位置处,微坑直径和深度随能量密度的变化曲线。由图可知,随着激光能量密度由50J/cm 2 增加到300J/cm 2,微坑直径从110 μm增加到210 μm,当能量密度增加到250J/cm 2 后,微坑直径增加幅度逐渐变小,这是由于激光能量密度相对低时,按照高斯分布的激光能量密度在空间分布上相对集中,因此直径随激光能量密度的增加而增大,但是激光光斑直径保持不变,因此微坑直径达到一定数值时不再增加。微坑深度受能量密度的影响作用规律与微坑直径相似,微坑深度由10 μm增加到32 μm。图3b为能量密度在120J/cm 2、焦点位置处,微坑直径和深度随脉冲次数的变化曲线。由图可知,随着脉冲次数由5次增加到25次,微坑直径和深度均逐渐增大,微坑直径由140 μm增加到210 μm,微坑深度由20 μm增加到31 μm,当脉冲次数超过20次时,微坑深度有一定程度的下降, 这是因为随着微坑深度的增加,微坑底部已经偏离焦点平面,激光的能量大幅度降低,不能够支承烧蚀微坑更深的区域,且由于熔融的金属飞溅不出微坑, 导致熔融金属在微坑内部重铸,而后脉冲又照在重铸的金属上,在微坑内部会出现越来越多的金属残渣,从而在脉冲个数过多的情况下,会出现深度变浅的情况。图3c为能量密度120J/cm 2,脉冲次数15次条件下,微坑直径和深度随离焦量的变化曲线。由图可知,随离焦量由0增加到1 200 μm,微坑直径逐渐增大,而微坑深度呈先增大后逐渐减小的趋势,微坑直径从119 μm增大到192 μm,微坑深度从36 μm减小到24 μm。这是由于在焦点位置处,激光光束由于聚焦光斑直径最小,因此所加工的微坑直径最小,随着离焦量增大,光斑直径变大,导致加工的微坑直径变大。随着离焦量的增加,激光能量密度从微坑表面到内部逐渐增加,因此所加工的深度更大。但当离焦量达到一定值时,微坑表面的激光密度下降的很大,从而导致深度下降。

  • 图3 激光能量密度、脉冲个数、离焦量与微织构直径、深度关系

  • Fig.3 Diameter and depth of micro-texture varied with laser energy density and number of pulses and defocus

  • 1.3.2 微织构表面设计

  • 通过激光参数对微坑形貌的影响规律研究,采用直径120 μm、深度40 μm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。

  • 图4 面积占有率为10%的微织构表面形貌图

  • Fig.4 Micro-texture surface morphologies with area density rate of 10%

  • 2 试验结果和分析

  • 2.1 激光烧蚀对气缸套表面硬度的影响

  • 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1 100kg/mm 2,当在气缸套试样表面进行织构加工后,止点位置微坑边缘硬度约为1 462kg/mm 2,说明微坑周围生成了一定厚度的硬质层和过渡层,导致其硬度高于基体硬度。

  • 图5 气缸套硬度柱状图

  • Fig.5 Histogram of the hardness on cylinder liner

  • 2.2 微织构面积占有率对气缸套摩擦磨损性能的影响

  • 2.2.1 摩擦因数和磨损量

  • 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1.428 μm、 4.013 μm,相比于无织构摩擦副的2.654 μm、 8.124 μm,磨损量分别降低了46.19%和50.6%。

  • 2.2.2 摩擦磨损机理分析

  • 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)。

  • 图6 面积占有率对气缸套表面摩擦磨损性能的影响

  • Fig.6 Effect of area density rate on friction and wear properties of cylinder liner surface

  • 图7 气缸套-活塞环摩擦副表面磨损形貌

  • Fig.7 Surface wear morphologies of cylinder liner-piston ring friction pair

  • 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[19];而对于织构摩擦副,由于织构气缸套表面微坑对磨粒的捕捉作用,会把摩擦过程中产生的磨粒进行储存,减少接触面的磨粒磨损,且织构气缸套的硬度比无织构气缸套高,强度更好,因此织构气缸套具有更优的抗磨粒磨损性能[20]。

  • 2.3 微织构面积占有率对气缸套抗拉缸性能的影响

  • 2.3.1 拉缸时间

  • 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。

  • 图8 面积占有率对气缸套表面抗拉缸性能的影响

  • Fig.8 Effect of area density rate on scuffing resistance performance of cylinder liner surface

  • 2.3.2 抗拉缸机理分析

  • 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)。

  • 图9 气缸套-活塞环摩擦副表面拉缸形貌

  • Fig.9 Scuffing morphologies of cylinder liner-piston ring friction pair

  • 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。

  • 图10 织构摩擦副减摩机制图

  • Fig.10 Mechanism map for friction reduction of textured friction rig

  • 3 结论

  • (1) 在试验条件下,随激光能量密度、脉冲次数、离焦量的增大,微坑直径逐渐增大,而微坑深度则呈先增大后减小的趋势。其中随着激光能量密度和脉冲个数的增加,微坑直径增加幅度逐渐变小。

  • (2) 最低摩擦因数和磨损量及最佳抗拉缸性能均在面积占有率为10%的织构摩擦副获得。这表明在适当的微坑间距下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,起到较好的减摩效果。

  • 参考文献

    • [1] 付现桥,韩彬,王勇,等.TA2 表面激光气体氮化组织结构和耐蚀性研究[J].中国激光,2011,4:94-99.FU Xianqiao,HAN Bin,WANG Yong,et al.Study on structure and corrosion resistance of the TA2 surface of laser gas nitriding [J].Chinese Journal of Lasers,2011,4:94-99.(in Chinese)

    • [2] 岳锋,张松杨.合金硼铸铁软氮化气缸套的研制[J].机车车辆工艺,2009,6:1-4.YUE Feng,ZHANG Songyang.Development of alloy boron cast iron soft-nitriding cylinder liner [J].Locomotive and Rolling Stock Technology,2009,6:1-4.(in Chinese)

    • [3] SHI C,YU A,WU J,et al.Comparisons of tribological properties between laser and drilled dimple textured surfaces of medium carbon steel[J].Industrial Lubrication and Tribology,2017,69(4):516-526.

    • [4] 何江涛.飞秒激光加工的轴承钢表面微织构润滑减摩特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.HE Jiangtao.Research on anti-friction property of textured surface of bearing steel processed by femtosecond laser [ D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2017.(in Chinese)

    • [5] 符永宏,刘强宪,叶云霞,等.同点间隔多次激光微织构工艺研究[J].中国激光,2015,42(12):1203005.FU Yonghong,LIU Qiangxian,YE Yunxia,et al.Research on laser surface micro texturing processing of single pulse intervals [J].Chinese Journal of Lasers,2015,42(12):1203005.(in Chinese)

    • [6] GALDA L,PAWLUS P,SEP J.Dimples shape and distribution effect on characteristics of stribeck curve [J].Tribology International,2009,42(10):1505-1512.

    • [7] PODGORNIK B,VILHENA L,SEDLAEK M,et al.Effectiveness and design of surface texturing for different lubrication regimes[J].Meccanica,2012,47(7):1613-1622.

    • [8] WANG B,CHANG Q,QI Y.Effect of laser surface texture on the tribological properties of different materials under dry friction [J].Tribology,2014,34(4):408-413.

    • [9] ZHAN X H,YI P,LIU Y C,et al.Effects of single and multishape laser-textured surfaces on tribological properties under dry friction[J].Journal of Mechanical Engineering Science,2020,234(7):1382-1392.

    • [10] 华希俊,张加力,解玄,等.GCr15 轴承钢表面的激光凹/凸微织构工艺[J].中国激光,2019,46(3):0302009.HUA Xijun,ZHANG Jiali,XIE Xuan,et al.Laser concave/convex micro-texture process of GCr15 bearing steel surface[J].Chinese Journal of Lasers,2019,46(3):0302009.(in Chinese)

    • [11] SHUM P W,ZHOU Z F.To increase the hydrophobicity and wear resistance of diamond-like carbon coatings by surface texturing using laser ablation process [J].Thin Solid Films,2013,544(4):472-476.

    • [12] 刘一静,袁明超,王晓雷.表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响 [J].中国矿业大学学报,2009,38(6):866-871.LIU Yijing,YUAN Mingchao,WANG Xiaolei.Influence of the surface texture on the tribological performances of piston skirt/liner[J].Journal of China University of Mining and Technology,2009,38(6):866-871.(in Chinese)

    • [13] 刘强,刘思思,刘金刚,等.激光微织构化铝合金表面的摩擦磨损研究[J].有色金属工程,2019,9(9):67-72.LIU Qiang,LIU Sisi,LIU Jingang,et al.Study on friction and wear of laser micro-textured aluminum alloy surface [J].Nonferrous Metals Engineering,2019,9(9):67-72.(in Chinese)

    • [14] 苗嘉智,郭智威,袁成清.表面织构对内燃机缸套-活塞环系统摩擦性能的影响 [J].摩擦学学报,2017,37(4):465-471.MIAO Jiazhi,GUO Zhiwei,YUAN Chengqing.Effect of textured surface on the friction performance of cylinder liner-piston ring system in the internal combustion engine[J].Tribology,2017,37(4):465-471.(in Chinese)

    • [15] SU Y S,HE N.Experiment study on micro-texture of laser machining cemented carbide tools[J].Chinese Journal of Laser,2014,41(6):66-72.

    • [16] AHUIR-TORRES J I,ARENAS M A,PERRIE W,et al.Influence of laser parameters in surface texturing of Ti6A14V and AA2024-T3 alloys [J].Optics and Lasers in Engineering,2018,103:100-109.

    • [17] LI C D,WANG W W,JIN M,et al.Friction property of MoS2 coatings deposited on the chemical etched surface of Al-Si alloy cylinder liner[J].Journal of Tribology,2018,2:2-13.

    • [18] 金梅,韩晓光,董文仲,等.FeNi 合金镀铁缸套的摩擦磨损性能[J].中国表面工程,2016,29(5):122-128.JIN Mei,HAN Xiaoguang,DONG Wenzhong,et al.Friction and wear properties of FeNi alloy plated cylinder liner [J].China Surface Engineering,2016,29(5):122-128.(in Chinese)

    • [19] 温诗铸,黄平.摩擦学原理[ M].北京:清华大学出版社,2012.WEN Shizhu,HUANG Ping.Principles of tribology [ M ].Beijing:Tsinghua University Press,2012.(in Chinese)

    • [20] HAN X J,SUN J G,ZHANG P,et al.Research on discriminating partition laser surface micro-texturing technology of engine cylinder [J].Tribology International,2016,98:190-196.

  • 基本信息

    中图分类号: TG156;TB114
    DOI: 10.11933/j.issn.1007-9289.20210413001

    基金信息

    国家自然科学基金(51509029)；
    基础性科研院所稳定支持(WDZC-2019-JGKK-03)；
    辽宁省自然科学基金(2019-ZD-0165)；
    中国博士后科学基金(2020M670729)；
    中央高校基本科研业务费(3132019366)资助项目；
    Surpported by National Natural Science Foundation of China(51509029)；
    Stability Support Project of Basic Research Institutes(WDZC-2019- JGKK-03)；
    Natural Science Foundation of Liaoning Province ( 2019-ZD-0165 )；
    China Postdoctoral Science Foundation ( 2020M670729 )；
    Foundamental Research Funds for the Central Universities(3132019366).；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2021-04-13

  • 参考文献

    • [1] 付现桥,韩彬,王勇,等.TA2 表面激光气体氮化组织结构和耐蚀性研究[J].中国激光,2011,4:94-99.FU Xianqiao,HAN Bin,WANG Yong,et al.Study on structure and corrosion resistance of the TA2 surface of laser gas nitriding [J].Chinese Journal of Lasers,2011,4:94-99.(in Chinese)

    • [2] 岳锋,张松杨.合金硼铸铁软氮化气缸套的研制[J].机车车辆工艺,2009,6:1-4.YUE Feng,ZHANG Songyang.Development of alloy boron cast iron soft-nitriding cylinder liner [J].Locomotive and Rolling Stock Technology,2009,6:1-4.(in Chinese)

    • [3] SHI C,YU A,WU J,et al.Comparisons of tribological properties between laser and drilled dimple textured surfaces of medium carbon steel[J].Industrial Lubrication and Tribology,2017,69(4):516-526.

    • [4] 何江涛.飞秒激光加工的轴承钢表面微织构润滑减摩特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.HE Jiangtao.Research on anti-friction property of textured surface of bearing steel processed by femtosecond laser [ D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2017.(in Chinese)

    • [5] 符永宏,刘强宪,叶云霞,等.同点间隔多次激光微织构工艺研究[J].中国激光,2015,42(12):1203005.FU Yonghong,LIU Qiangxian,YE Yunxia,et al.Research on laser surface micro texturing processing of single pulse intervals [J].Chinese Journal of Lasers,2015,42(12):1203005.(in Chinese)

    • [6] GALDA L,PAWLUS P,SEP J.Dimples shape and distribution effect on characteristics of stribeck curve [J].Tribology International,2009,42(10):1505-1512.

    • [7] PODGORNIK B,VILHENA L,SEDLAEK M,et al.Effectiveness and design of surface texturing for different lubrication regimes[J].Meccanica,2012,47(7):1613-1622.

    • [8] WANG B,CHANG Q,QI Y.Effect of laser surface texture on the tribological properties of different materials under dry friction [J].Tribology,2014,34(4):408-413.

    • [9] ZHAN X H,YI P,LIU Y C,et al.Effects of single and multishape laser-textured surfaces on tribological properties under dry friction[J].Journal of Mechanical Engineering Science,2020,234(7):1382-1392.

    • [10] 华希俊,张加力,解玄,等.GCr15 轴承钢表面的激光凹/凸微织构工艺[J].中国激光,2019,46(3):0302009.HUA Xijun,ZHANG Jiali,XIE Xuan,et al.Laser concave/convex micro-texture process of GCr15 bearing steel surface[J].Chinese Journal of Lasers,2019,46(3):0302009.(in Chinese)

    • [11] SHUM P W,ZHOU Z F.To increase the hydrophobicity and wear resistance of diamond-like carbon coatings by surface texturing using laser ablation process [J].Thin Solid Films,2013,544(4):472-476.

    • [12] 刘一静,袁明超,王晓雷.表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响 [J].中国矿业大学学报,2009,38(6):866-871.LIU Yijing,YUAN Mingchao,WANG Xiaolei.Influence of the surface texture on the tribological performances of piston skirt/liner[J].Journal of China University of Mining and Technology,2009,38(6):866-871.(in Chinese)

    • [13] 刘强,刘思思,刘金刚,等.激光微织构化铝合金表面的摩擦磨损研究[J].有色金属工程,2019,9(9):67-72.LIU Qiang,LIU Sisi,LIU Jingang,et al.Study on friction and wear of laser micro-textured aluminum alloy surface [J].Nonferrous Metals Engineering,2019,9(9):67-72.(in Chinese)

    • [14] 苗嘉智,郭智威,袁成清.表面织构对内燃机缸套-活塞环系统摩擦性能的影响 [J].摩擦学学报,2017,37(4):465-471.MIAO Jiazhi,GUO Zhiwei,YUAN Chengqing.Effect of textured surface on the friction performance of cylinder liner-piston ring system in the internal combustion engine[J].Tribology,2017,37(4):465-471.(in Chinese)

    • [15] SU Y S,HE N.Experiment study on micro-texture of laser machining cemented carbide tools[J].Chinese Journal of Laser,2014,41(6):66-72.

    • [16] AHUIR-TORRES J I,ARENAS M A,PERRIE W,et al.Influence of laser parameters in surface texturing of Ti6A14V and AA2024-T3 alloys [J].Optics and Lasers in Engineering,2018,103:100-109.

    • [17] LI C D,WANG W W,JIN M,et al.Friction property of MoS2 coatings deposited on the chemical etched surface of Al-Si alloy cylinder liner[J].Journal of Tribology,2018,2:2-13.

    • [18] 金梅,韩晓光,董文仲,等.FeNi 合金镀铁缸套的摩擦磨损性能[J].中国表面工程,2016,29(5):122-128.JIN Mei,HAN Xiaoguang,DONG Wenzhong,et al.Friction and wear properties of FeNi alloy plated cylinder liner [J].China Surface Engineering,2016,29(5):122-128.(in Chinese)

    • [19] 温诗铸,黄平.摩擦学原理[ M].北京:清华大学出版社,2012.WEN Shizhu,HUANG Ping.Principles of tribology [ M ].Beijing:Tsinghua University Press,2012.(in Chinese)

    • [20] HAN X J,SUN J G,ZHANG P,et al.Research on discriminating partition laser surface micro-texturing technology of engine cylinder [J].Tribology International,2016,98:190-196.

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