激光微織構化表面織構化對摩擦副摩擦學性能的影響

激光微織構化表面織構化對摩擦副摩擦學性能的影響

0織構化的應用高增長是世界上軍用工具和燃料內燃動力技術發(fā)展的必然趨勢。采用高強化技術，能夠使發(fā)動機在提高動力性的同時實現(xiàn)小型化和輕量化，顯著減少CO高強化對柴油機摩擦副活塞環(huán)-氣缸套摩擦副在高溫、高壓和高沖擊載荷環(huán)境中的摩擦磨損性能提出更高要求。表面織構技術作為一種改善摩擦副摩擦磨損性能的有效手段，在活塞環(huán)-氣缸套摩擦副上的應用也逐漸受到關注相對于在缸套上制備微織構，在活塞環(huán)上制備具有加工面積小、加工時間短、織構易于制備等優(yōu)點。RYK等織構參數(shù)對摩擦副摩擦學行為的影響主要包括直徑、深度、面積占有率、位置等方面。排布角度也是影響織構改善摩擦學性能的重要參數(shù)，占劍等在高強化條件下，氣缸套-活塞環(huán)摩擦副承受的溫度、載荷以及轉速等工況條件均惡化，導致織構參數(shù)對摩擦副摩擦學性能的改善作用發(fā)生變化。故以CKS活塞環(huán)-鑄鐵缸套為對象，采用Nd-YAG激光器在CKS活塞環(huán)表面制備不同參數(shù)的織構陣列，研究高強化條件下活塞環(huán)織構化對摩擦副摩擦磨損性能的作用規(guī)律，為實現(xiàn)發(fā)動機節(jié)能減排提供試驗支持。1測試1.1油鋼缸套層壓鑄件的表面形貌活塞環(huán)試樣從CKS(鉻基陶瓷復合鍍)活塞環(huán)上切取，活塞環(huán)外徑110mm，環(huán)高3mm，桶面高度10μm，沿圓周方向等切20份。氣缸套試樣從硼磷合金鑄鐵缸套上切取，內徑110mm，壁厚10mm，沿圓周方向等切40份，切割長度為43mm。圖1給出了CKS活塞環(huán)的表面形貌及截面形貌。由圖1可見，網(wǎng)紋內鑲嵌有陶瓷顆粒(圖1a);鍍層厚度約為60μm，垂直于鍍層表面分布著細小的黑色條紋(圖1b)。CKS活塞環(huán)鍍層的平均硬度為758HV采用自制的往復式摩擦磨損試驗機1.2試驗方法和過程為了模擬高強化柴油機工況條件和加速試驗，試驗條件的載荷和溫度要大于實際工況下的載荷、溫度;采用富油試驗測試激光微織構對活塞環(huán)-氣缸套摩擦副摩擦磨損性能的影響，富油試驗分為兩個階段:低載磨合階段和高載磨損階段，低載磨合階段是為了去除試樣在加工過程中產(chǎn)生的毛刺、銳邊等缺陷，以及激光加工過程中微坑四周產(chǎn)生的冷凝物。高載磨損階段檢驗摩擦副的摩擦磨損性能;不同試驗階段的轉速、潤滑油供給速度等參數(shù)見表1。(1)表面形貌分析(LSM、SEM)采用日本奧林巴斯公司的OLYMPUS-OLS4000三維共聚焦激光掃描顯微鏡分析微坑的形貌、尺寸，并測量試樣表面磨損區(qū)域與未磨區(qū)域邊界的臺階高度差值來表征其線磨損量。采用德國卡爾蔡司公司的ZEISS-SUPRA55SAPPHIRE型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，分析摩擦副表面的微觀形貌。(2)表面化學成分分析(EDX)采用美國伊達克斯公司生產(chǎn)的超薄窗X射線能譜儀，分析試驗后摩擦副表面元素的組成與分布。1.3活塞環(huán)表面的微紡結構制備采用Nd-YAG激光器在活塞環(huán)表面進行微織構制備，光斑直徑為100μm，激光波長1064nm，脈沖寬度1ms。1.3.1激光的能量密度和脈沖次數(shù)激光參數(shù)對于微織構的幾何尺寸有著重要的影響，激光的能量密度和脈沖次數(shù)是兩個極為重要的參數(shù)。在重復頻率3KHz，采用脈沖次數(shù)為5～30次，能量密度為40～160J/cm1.3.2織構材料的硬度激光加工還會對活塞環(huán)硬度產(chǎn)生影響，圖5給出了原始及織構活塞環(huán)距微坑不同距離處表面硬度金相照片，圖6給出了圖5中各點對應的維氏硬度值，由圖5、6可知，織構活塞環(huán)的平均硬度比無織構的原始活塞環(huán)平均硬度高約100HV0.1，且隨著與微坑距離的增加硬度逐漸下降，這可能是因為激光在加工織構時，會在活塞環(huán)表面產(chǎn)生熱影響區(qū)，進而改變織構附近的硬度，從而影響摩擦磨損性能。1.3.3．微坑設置根據(jù)圖4激光參數(shù)與微坑直徑、深度的關系，制備直徑為110、130、150μm，深度20、30、40、50μm的微坑;以微坑直徑、深度、面積占有率和排布角度為激光微織構參數(shù)，利用摩擦磨損試驗對微織構參數(shù)進行優(yōu)化，具體試驗參數(shù)如表2。2試驗結果與討論2.1微織構直徑、形態(tài)分析圖7為無織構及微坑直徑分別為110、130、150μm的活塞環(huán)分別與氣缸套配對的摩擦因數(shù)及磨損量;圖7a為高載階段摩擦副的摩擦因數(shù)隨時間的變化趨勢，可以看出4種不同摩擦副的摩擦因數(shù)均隨著磨損時間延長逐漸下降，并達到穩(wěn)定。其中直徑為130μm織構摩擦副達到穩(wěn)定所需要的時間最短;圖7b為4種摩擦副的平均摩擦因數(shù)，是選取試驗平穩(wěn)后期的1000個往復循環(huán)摩擦力最大值的平均值，除以法向壓力得到平均系數(shù)。由圖可知，無織構摩擦副的摩擦因數(shù)最大，為0.099。所有微織構活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的平均摩擦因數(shù)均小于無織構的摩擦副，直徑為130μm時，織構摩擦副平均摩擦因數(shù)最小，約為0.085;圖7c、7d分別為活塞環(huán)和氣缸套的磨損量，由圖可知，具有織構的摩擦副其活塞環(huán)和缸套的磨損量均顯著低于無織構摩擦副，無織構摩擦副的活塞環(huán)、氣缸套的磨損量分別達到5.35μm和3.44μm，織構摩擦副的活塞環(huán)、氣缸套磨損量均在微坑直徑為130μm微織構時取得最小值，分別為3.14μm和1.83μm，降幅分別可達41.3%和46.5%。圖8為無織構及微坑深度分別為20、30、40、50μm的活塞環(huán)與氣缸套配對的摩擦因數(shù)及磨損量;圖8a顯示在高載階段，不同微坑深度摩擦副摩擦因數(shù)隨時間變化規(guī)律與直徑對微織構活塞環(huán)摩擦副摩擦因數(shù)影響規(guī)律類似;5種不同的摩擦副的瞬時摩擦因數(shù)曲線都有下降趨勢，深度為20、50μm微織構的摩擦副其曲線下降趨勢明顯滯后;圖8b為不同深度微織構的平均摩擦因數(shù)圖，由圖可見，不同微坑深度條件下織構摩擦副的摩擦因數(shù)均低于無織構摩擦副?？棙嬆Σ粮钡哪Σ烈驍?shù)隨微坑深度增加先減小后增加，在微坑深度為30μm時，摩擦因數(shù)取得最小值;圖8c、8d分別為活塞環(huán)和氣缸套的磨損量，無織構摩擦副的活塞環(huán)、缸套的磨損量最大，織構摩擦副活塞環(huán)、缸套磨損量均在微坑深度為30μm微織構時取得最小值。2.2微織構結構對磨損量的影響圖9為無織構及織構排布角度分別為0°、30°、60°的織構活塞環(huán)與氣缸套配對的摩擦因數(shù)及磨損量;圖9a顯示在高載階段，與排布角度為0°及無織構摩擦副摩擦因數(shù)隨時間變化不同，微織構排布角度為30°、60°的摩擦副摩擦因數(shù)無明顯下降趨勢;圖9b為不同排布角度微織構摩擦副的平均摩擦因數(shù)圖，由圖可知，隨著織構排布角度增加，織構摩擦副的摩擦因數(shù)逐漸增大，排布角度為30°和60°微織構摩擦副的平均摩擦因數(shù)均高于無織構摩擦副，其平均摩擦因數(shù)分別為0.134及0.146;圖9c、9d分別為活塞環(huán)和氣缸套的磨損量，與排布角度對平均摩擦因數(shù)影響相似，活塞環(huán)與氣缸套的磨損量均隨織構排布角度增加而增大，排布角度為30°和60°微織構摩擦副所對應的活塞環(huán)、氣缸套磨損量均大于無織構摩擦副，其中排布角度為60°微織構摩擦副活塞環(huán)、氣缸套磨損量最大，分別達到5.72μm和3.51μm。圖10為無織構及微織構面積占有率分別為3%、5%、7%、9%的活塞環(huán)與氣缸套配對的摩擦因數(shù)及磨損量;圖10a為在高載階段5種面積占有率摩擦副摩擦因數(shù)隨時間變化，摩擦因數(shù)均隨時間延長逐漸降低并保持穩(wěn)定狀態(tài);圖10b為5種面積占有率的平均摩擦因數(shù)，由圖可見，織構摩擦副的摩擦因數(shù)隨織構面積占有率增加呈先增大后減小趨勢，當面積占有率為5%時活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的摩擦因數(shù)最小;織構摩擦副的摩擦因數(shù)均低于無織構摩擦副;圖10c、10d分別為5種面積占有率微織構活塞環(huán)和氣缸套的磨損量?？梢钥闯?，面積占有率對活塞環(huán)和氣缸套磨損量的影響與其對平均摩擦因數(shù)的影響規(guī)律相同，均呈先減小后增加趨勢，織構摩擦副中活塞環(huán)與氣缸套的磨損量均低于無織構摩擦副。2.3微織構表面能譜分析圖11為無織構及微坑直徑130μm、深度30μm、角度0°面積占有率為5%微織構活塞環(huán)與氣缸套配對時表面磨損形貌。由圖可知，無織構活塞環(huán)磨損后試樣表面有明顯劃痕，CKS活塞環(huán)表面的電鍍網(wǎng)紋基本消失(圖11a)。與無織構活塞環(huán)配對的氣缸套表面有明顯的磨損痕跡，珩磨紋變得模糊，缸套表面存在點、片狀脫落的現(xiàn)象，且部分區(qū)域脫落的缺陷已經(jīng)連接成片，說明氣缸套表面發(fā)生黏著磨損(圖11b);圖11c、11d為微坑直徑130μm、深度30μm、角度0°面積占有率為5%微織構活塞環(huán)及其配對副缸套磨損試樣的磨損形貌，由圖可見，織構活塞環(huán)表面有輕微劃痕，采用能譜儀對微坑內成分進行分析，發(fā)現(xiàn)微坑除含Cr元素外，還含有S、P等元素(圖11c)，這可能是由于摩擦試驗過程中潤滑油(4652D)進入微坑造成的，說明織構能夠起到貯存潤滑油的作用。與織構活塞環(huán)配對的氣缸套表面磨痕較輕微，表面只存在輕微的塑性流變，有撕裂、拖拽的痕跡。圖12為無織構及微坑直徑130μm、深度30μm、角度0°面積占有率為5%微織構活塞環(huán)與氣缸套配對時共聚焦表面形貌照片。由圖可知，無織構活塞環(huán)磨損后試樣表面整體劃痕區(qū)域面積巨大且連續(xù)(圖12a);與無織構活塞環(huán)配對的氣缸套表面沿摩擦副相對運動方向存在水平磨損痕跡，且磨痕較為密集;氣缸套表面珩磨紋因為基體變形有消失、填平跡象(圖12b)。圖12c、12d為微坑直徑130μm、深度30μm、角度0°面積占有率為5%微織構活塞環(huán)及其配對副缸套磨損試樣的共聚焦表面形貌照片，由圖可見，織構活塞環(huán)表面沿運動方向存在磨痕，但磨痕區(qū)域相對無織構活塞環(huán)較少，并不密集，而微坑周邊發(fā)生輕微形變(圖12c)。與織構活塞環(huán)配對的氣缸套表面磨痕相較輕微，珩磨紋發(fā)生形變程度也相對較輕。微織構具有儲油功能，在摩擦試驗過程中油膜承載力及分布是影響摩擦副摩擦學性能的重要因素。在摩擦副往復運動過程中，微坑中潤滑油隨摩擦副向坑壁流動，在微坑內部靠近微坑一側形成收斂間隙，提高油膜承載能力，強化了動壓效應，降低了微織構摩擦副的摩擦因數(shù)3磨損性能分