表面纹理对柴油机缸套-活塞环摩擦副性能影响的研究

在缸套表面加工一定的纹理结构能有效提升缸套-活塞环的摩擦学性能,进而改善柴油机的工作性能和使用寿命。以环圆形凹槽结构为研究对象,在专用摩擦磨损实验机上对缸套-活塞环摩擦副进行模拟实验。研究了普通缸套和经表面处理的缸套在工况下的摩擦磨损性能。结果表明:环圆槽缸套的摩擦磨损性能优于原始缸套。该研究可为缸套-活塞环摩擦副的减磨耐磨设计提供实验依据。     

缸套内壁激光渗硫复合层的组织与抗高温磨损性能

针对大功率密度柴油机缸套高温磨损失效问题,利用低温离子渗硫技术在42MnCr52钢激光淬火表面制备了渗硫层,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、纳米硬度仪、划痕仪和台架试验装置分析了复合层的形貌组成、组织结构、力学性能与高温磨损性能。结果表明,复合层表面疏松多孔,其相组成主要为FeS,厚度约为5μm,与基底结合紧密。在发动机台架试验条件下,激光渗硫复合处理能降低缸套的磨损量,同时减轻了对磨活塞环的磨损,其主要原因是复合层表面的固体润滑硫化物有效抑制了高温粘着磨损和磨粒磨损,改善了缸套/活塞环摩擦副表面的匹配性能,使缸套的抗高温磨损性能得到提高。     

高功率密度柴油机缸套活塞环摩擦副磨损失效机理*

为延缓摩擦副磨损失效,提升高功率密度柴油机的寿命,同时为减磨措施提供理论依据,研究缸套—活塞环摩擦副的磨损失效机理。利用扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)对原始及实际使用500h以后失效缸套和活塞环的表面形貌和化学成分进行了分析。结果表明:对于缸套,上止点附近的磨损机理为综合的磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损。缸套中部磨损机理与上止点附近相似,但没有发生大面积的粘着磨损。下止点附近的磨损机理以磨粒磨损为主。梯形环表面的铬电镀层失效,失去了保护基体的作用,磨损机理为综合的磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损。扭曲气环表面仍然覆盖着比较完整的铬电镀层,磨损机理以磨粒磨损为主。     

陶瓷颗粒含量对Cr-Al_2O_3复合镀活塞环摩擦磨损性能的影响

为了研究陶瓷颗粒含量对Cr-Al_2O_3复合镀活塞环摩擦磨损性能的影响,采用镀铬活塞环和4种Al_2O_3陶瓷颗粒含量不同的Cr-Al_2O_3活塞环与CuNiCr合金铸铁缸套组成配对副,对其进行摩擦磨损试验,对比各配对副摩擦因数及磨损量。结果表明,镀铬活塞环-缸套配对副摩擦因数较大,约为其它4种含Al_2O_3陶瓷颗粒的Cr-Al_2O_3活塞环-缸套配对副的1.2倍,磨损也比其它4种配对副严重,摩擦副的表面均已经发生严重的粘着磨损现象;其它4种含陶瓷颗粒的Cr-Al_2O_3活塞环-缸套配对副的摩擦因数相近,缸套的磨损量也相近,活塞环的磨损量随着陶瓷含量的增加而先减小后增加。陶瓷颗粒的镶嵌提高了活塞环的耐磨性能,陶瓷含量过少,活塞环表面承载能力不足;陶瓷颗粒含量过多,陶瓷颗粒易脱落,这些都会增大活塞环的磨损量。     

活塞环表面织构化镀层的摩擦性能研究

目的以缸套/活塞环为试验对象,研究激光织构化与固体润滑镀层的协同减摩作用。方法采用脉冲激光在活塞环表面进行微孔化处理,利用电脉冲沉积法在微孔内制备具有不同MoS_2微粒浓度的Ni-MoS_2复合镀层,通过往复式摩擦试验研究织构化表面沉积固体润滑剂对活塞环-缸套的影响机制。结果镀液中MoS_2微粒浓度对镀层的硬度和摩擦学性能影响较大,相同电流密度下,电镀液中MoS_2微粒的质量浓度为5g/L时的镀层硬度最高,该浓度下Ni-MoS_2复合镀层在干摩擦下具有最佳的摩擦系数和最低的磨损率。织构化复合镀层可以显著改善接触面间的摩擦性能,相比未织构化摩擦配副,摩擦系数降低约0.2,磨损率下降50%。结论干摩擦条件下,表面织构可以有效地储存摩擦副之间的固体润滑剂和磨粒,在接触表面形成连续润滑膜,减少磨粒磨损。     

激光强化铸铁活塞环的磨损性能

为降低活塞环、缸套摩擦副的磨损和改善配副性,采用激光熔覆和电镀技术在球墨铸铁表面分别制备原位析出颗粒增强金属基复合材料表层和镀铬层。分别以激光熔覆和镀铬强化的球墨铸铁为上试样,灰铸铁为下试样,模拟活塞环和缸套的工作环境,进行SRV快速磨损实验。实验结果表明:镀铬活塞环和灰铸铁缸套配副,摩擦系数在0.117 0~0.133 2范围内变化,且随摩擦时间的延长,摩擦系数逐渐增加,其磨损机制为粘着磨损;在相同的工艺条件下,激光熔覆强化的活塞环与灰铸铁配副,摩擦系数在0.067~0.085范围内变化,随摩擦时间的延长逐渐降低,其磨损机制为微切削。     

高功率密度柴油机缸套激光渗硫复合处理技术研究

为提高大功率密度柴油机缸套的抗高温粘着磨损性能,文中采用高能量密度的激光束对柴油机缸套内壁进行网格化淬火处理,然后用低温离子渗硫技术在缸套内壁外层生成固体润滑的FeS相.采用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计等分析设备对缸套内壁的强化层进行表征分析,采用T11高温摩擦磨损试验机对处理前后缸套内壁的抗高温磨损性能进行了比较研究,研究结果表明:缸套内壁经过激光渗硫复合处理后,抗高温粘着性能大大提高,同时渗硫层能够防止发动机刚启动时机油润滑不良导致的异常磨损和改善摩擦副之间的润滑效果.探讨了缸套内壁复合处理强化前后的摩擦磨损失效机理.     

基于表面织构的机械部件摩擦学性能改善研究进展

表面织构技术以其加工容易、应用范围广泛的特点可有效减小和控制表面摩擦与磨损,延长使用寿命。介绍了表面织构的作用、几何参数和加工技术,总结了当前表面织构技术在改善密封、滑动轴承、活塞环和缸套等机械部件摩擦学性能方面的主要研究成果,提出了表面织构的研究方向。     

化学刻蚀高硅铝合金缸套的摩擦磨损性能

采用对置往复式摩擦磨损试验机,选用铬基陶瓷复合镀活塞环(CKS环)为配副试样,研究机械珩磨+化学刻蚀法加工高硅铝合金缸套的摩擦磨损性能。通过测量摩擦因数、磨损量,用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(LSM)观察分析摩擦副磨损前后表面形貌。结果表明:在20℃下,将机械珩磨的高硅铝合金缸套试样浸入浓度为5%的NaOH溶液中腐蚀2min,可制备出硅颗粒凸出高度约为1μm的工作表面;相对于单纯采用机械珩磨加工方法制备的高硅铝合金缸套,机械珩磨+化学刻蚀加工的高硅铝合金缸套摩擦副的摩擦因数可从0.141 41降至0.129 56,降幅约为8.38%,两者的磨损量相近。采用机械珩磨加工方法的高硅铝合金缸套磨损试验后表面有磨粒磨损带来的轻微划痕,而化学刻蚀后的缸套磨损表面没有发现划痕现象,与其对磨的活塞环的磨损状况也较轻微。     

缸套-活塞环织构化耦合机理及减摩性能研究

目的在工况恶劣的船舶柴油机中,运用表面织构技术提高缸套-活塞环的表面摩擦性能。方法选用实船上的两种缸套-活塞环材料M与W,加工成销盘样式,利用激光打标机在活塞环销上加工圆形凹坑织构,在缸套盘上加工沟槽织构。将未织构化缸套和活塞环与织构化缸套和活塞环互相配对,在RTEC多功能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验。从摩擦系数、磨损量、磨损形貌、能谱等方面,进行光滑、单一织构与耦合织构减摩性能的对比分析。结果相比于未织构与单一织构化表面,两种材料的耦合织构均拥有最低的摩擦系数,其中M材料的减摩性能最高增强21.52%,W材料最高增强27.29%。耦合织构还拥有最低的磨损量,使M、W材料的抗磨损能力分别提高81.10%、36.14%。耦合织构能显著降低M、W材料磨损后的表面粗糙度,并提升其润滑油滞留能力。织构内部与接触面的Fe、C分布呈现区域性,在缸套表面磨痕处发现少量Cu元素。结论沟槽与凹坑织构的耦合作用能有效增强油膜的形成与稳定能力,沟槽与凹坑织构可储存磨屑,提升磨屑捕集效率,防止磨屑持续划伤表面。缸套材料中的Cu与耦合织构协同作用,吸附在表面磨痕处,形成软膜,提高承载能力,降低磨损与粗糙度。     

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

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。     

柴油机缸套-活塞环摩擦副耐磨性研究

对衡量作为摩擦系统的缸套-活塞环摩擦副的耐磨性提出了判据。根据这种判据，对国内生产的合金铸铁缸套、硼磷缸套及激光淬火缸套与镀铬球铁活塞环及其渗陶活塞环进行了配套试验。结果表明：和套与活塞环所组成的摩擦副应作为一个系统来考虑，并且用配副性这个特征量来评价其耐磨性是合理的；渗陶镀铬环与激光淬火缸套的配副性最好。     

活塞-缸套表面纹理摩擦磨损特性研究进展

减少摩擦损失是高性能发动机效率的一个重要方面。活塞作为发动机组成的一个重要部件,在机械损失上损耗了发动机产生的总能量的40%,近乎于占据了发动机摩擦损失能量的一半,因此在发动机活塞-缸套上制备表面织构以改善活塞摩擦副的摩擦学性能,保持发动机在实际运行中拥有良好的性能是现在发动机发展不可或缺的。表面纹理已广泛应用于改善滑动表面的摩擦性能,减少磨损、减低摩擦等是表面纹理化应用在减摩抗磨方面最直接的效果体现。主要围绕近些年发表关于表面织构几何参数对活塞-缸套的影响,从有限元模拟分析以及实验室试验研究等两个方面综述织构应用在活塞-缸套上的研究进展,再从织构形状、织构面密度、织构排列方式及其他参数方面等方面对活塞/缸套的摩擦磨损影响进行对比分析,以帮助后续研究者在该方向的研究提供参考。依据机械部件之间的磨损量以及摩擦因数体现出表面织构运用之后的摩擦学性能。最后对表面织构在活塞-缸套上的发展趋势进行展望。     

缸套珩磨网纹模拟及流动特性分析

目的 研究缸套珩磨网纹表面计算机模拟方法,对比缸套网纹表面确定性分析流量因子与Patir & Cheng高斯分布流量因子差异。方法 采用快速傅里叶变换技术(FFT)及坐标变换,对高斯分布平台表面及具有任意方向的各向异性沟槽表面进行了计算机模拟,并叠加合成满足要求Rpq、Rvq及珩磨角度参数的双高斯缸套珩磨网纹表面。通过表面概率支承率曲线分析,验证该方法的精度。在此基础上,进行给定边界条件下网纹表面的流动分析,对比确定性分析流量因子与Patir & Cheng高斯分布流量因子差异。结果 调整表面高度标准差、珩磨角度及自相关长度,可实现不同参数珩磨网纹的建模,生成的珩磨网纹表面参数与给定输入参数偏差较小。相比Patir & Cheng高斯分布流量因子,珩磨网纹确定性分析压力流量因子能更好地反映珩磨角度对不同方向流量的影响。同时,珩磨网纹沟槽对小间隙下剪切流量的影响更加明显。结论 网纹表面的确定性分析流量因子与Patir & Cheng高斯分布流量因子存在较大差异,缸套网纹表面建模及流动特性分析可更好地反映表面粗糙度对表面润滑性能的影响,为进一步开展缸套-活塞环多尺度摩擦学分析及珩磨网纹参数优化奠定了基础。     

感应淬火灰铸铁气缸套的耐磨性研究

对感应淬火灰铸铁气缸套进行了气缸套一活塞环摩擦副耐磨性试验，结果表明：无论是从磨损量的最大值来看，还是从磨损量的总值来看，灰铸铁感应淬火缸套——(球铁 镀铬 TiN)环都是最好的摩擦副。     

Evaluation offing surfaces with several coatings for friction, wear and scuffing life

Friction and wear of the sliding components in an automobile cause an increase in both fuel consumption and emission. Many engine components involved with sliding contact are all susceptible to scuffing failure at some points during their operating period. Therefore, it is important to evaluate the effects of various surface coatings on the tribological characteristics of the piston ring and cylinder block surface of a diesel engine. Wear and scuffing tests were conducted using a friction and wear measurement of the piston ring and cylinder block in a low friction diesel engine. The frictional forces, wear amounts and cycles to scuffing in the boundary lubricated sliding condition were measured using the reciprocating wear tester. The tester used a piece of the cylinder block as the reciprocating specimen and a segment of the piston ring material as the fixed pin. Several coatings on the ring specimen were used, such as DLC, TiN, Cr-ceramic and TiAlN, in order to improve the tribological characteristics of the ring. The coefficients of friction were monitored during the tests, and the wear volumes of the piston ring surfaces with various coatings were compared. Test results show that the DLC coating exhibits better tribological properties than the other coatings. The graphite structure of this coating is responsible for the low friction and wear of the DLC film. The TiN and DLC coatings show better scuffing resistance than the other coatings. The TiN and Cr-ceramic coated rings show good wear resistance and high friction.     

内燃机活塞环陶瓷涂层研制

活塞环是汽车发动机的关键零件.为适应汽车发动机发展的需要, 必须解决活塞环摩擦、磨损方面的问题.从活塞环苛刻的工况出发,研究了适合活塞环表面强化工艺,分析了等离子喷涂工艺表面处理技术特点,探讨了喷涂陶瓷涂层活塞环的摩擦磨损机理,试验结果表明,喷涂陶瓷涂层活塞环失效的主要原因是脆性剥落和疲劳磨损.