激光微織構(gòu)化表面織構(gòu)化對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能的影響

0織構(gòu)化的應(yīng)用高增長(zhǎng)是世界上軍用工具和燃料內(nèi)燃動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用高強(qiáng)化技術(shù)，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在提高動(dòng)力性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化，顯著減少CO高強(qiáng)化對(duì)柴油機(jī)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(gòu)技術(shù)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(yīng)用也逐漸受到關(guān)注相對(duì)于在缸套上制備微織構(gòu)，在活塞環(huán)上制備具有加工面積小、加工時(shí)間短、織構(gòu)易于制備等優(yōu)點(diǎn)。RYK等織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)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(gòu)改善摩擦學(xué)性能的重要參數(shù)，占劍等在高強(qiáng)化條件下，氣缸套-活塞環(huán)摩擦副承受的溫度、載荷以及轉(zhuǎn)速等工況條件均惡化，導(dǎo)致織構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)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(duì)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(gòu)陣列，研究高強(qiáng)化條件下活塞環(huán)織構(gòu)化對(duì)摩擦副摩擦磨損性能的作用規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排提供試驗(yàn)支持。1測(cè)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(fù)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(nèi)徑110mm，壁厚10mm，沿圓周方向等切40份，切割長(zhǎng)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(jiàn)，網(wǎng)紋內(nèi)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(xì)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(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)1.2試驗(yàn)方法和過(guò)程為了模擬高強(qiáng)化柴油機(jī)工況條件和加速試驗(yàn)，試驗(yàn)條件的載荷和溫度要大于實(shí)際工況下的載荷、溫度;采用富油試驗(yàn)測(cè)試激光微織構(gòu)對(duì)活塞環(huán)-氣缸套摩擦副摩擦磨損性能的影響，富油試驗(yàn)分為兩個(gè)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(guò)程中產(chǎn)生的毛刺、銳邊等缺陷，以及激光加工過(guò)程中微坑四周產(chǎn)生的冷凝物。高載磨損階段檢驗(yàn)?zāi)Σ粮钡哪Σ聊p性能;不同試驗(yàn)階段的轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油供給速度等參數(shù)見(jiàn)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(cè)量試樣表面磨損區(qū)域與未磨區(qū)域邊界的臺(tái)階高度差值來(lái)表征其線磨損量。采用德國(guó)卡爾蔡司公司的ZEISS-SUPRA55SAPPHIRE型場(chǎng)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(xué)成分分析(EDX)采用美國(guó)伊達(dá)克斯公司生產(chǎn)的超薄窗X射線能譜儀，分析試驗(yàn)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(jié)構(gòu)制備采用Nd-YAG激光器在活塞環(huán)表面進(jìn)行微織構(gòu)制備，光斑直徑為100μm，激光波長(zhǎng)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(duì)于微織構(gòu)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(gè)極為重要的參數(shù)。在重復(fù)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(gòu)材料的硬度激光加工還會(huì)對(duì)活塞環(huán)硬度產(chǎn)生影響，圖5給出了原始及織構(gòu)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的維氏硬度值，由圖5、6可知，織構(gòu)活塞環(huán)的平均硬度比無(wú)織構(gòu)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?yàn)榧す庠诩庸た棙?gòu)時(shí)，會(huì)在活塞環(huán)表面產(chǎn)生熱影響區(qū)，進(jìn)而改變織構(gòu)附近的硬度，從而影響摩擦磨損性能。1.3.3．微坑設(shè)置根據(jù)圖4激光參數(shù)與微坑直徑、深度的關(guān)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(gòu)參數(shù)，利用摩擦磨損試驗(yàn)對(duì)微織構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1微織構(gòu)直徑、形態(tài)分析圖7為無(wú)織構(gòu)及微坑直徑分別為110、130、150μm的活塞環(huán)分別與氣缸套配對(duì)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(shí)間的變化趨勢(shì)，可以看出4種不同摩擦副的摩擦因數(shù)均隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降，并達(dá)到穩(wěn)定。其中直徑為130μm織構(gòu)摩擦副達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間最短;圖7b為4種摩擦副的平均摩擦因數(shù)，是選取試驗(yàn)平穩(wěn)后期的1000個(gè)往復(fù)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(wú)織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)最大，為0.099。所有微織構(gòu)活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的平均摩擦因數(shù)均小于無(wú)織構(gòu)的摩擦副，直徑為130μm時(shí)，織構(gòu)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(gòu)的摩擦副其活塞環(huán)和缸套的磨損量均顯著低于無(wú)織構(gòu)摩擦副，無(wú)織構(gòu)摩擦副的活塞環(huán)、氣缸套的磨損量分別達(dá)到5.35μm和3.44μm，織構(gòu)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(gòu)時(shí)取得最小值，分別為3.14μm和1.83μm，降幅分別可達(dá)41.3%和46.5%。圖8為無(wú)織構(gòu)及微坑深度分別為20、30、40、50μm的活塞環(huán)與氣缸套配對(duì)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(shí)間變化規(guī)律與直徑對(duì)微織構(gòu)活塞環(huán)摩擦副摩擦因數(shù)影響規(guī)律類(lèi)似;5種不同的摩擦副的瞬時(shí)摩擦因數(shù)曲線都有下降趨勢(shì)，深度為20、50μm微織構(gòu)的摩擦副其曲線下降趨勢(shì)明顯滯后;圖8b為不同深度微織構(gòu)的平均摩擦因數(shù)圖，由圖可見(jiàn)，不同微坑深度條件下織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)均低于無(wú)織構(gòu)摩擦副?？棙?gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)隨微坑深度增加先減小后增加，在微坑深度為30μm時(shí)，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(wú)織構(gòu)摩擦副的活塞環(huán)、缸套的磨損量最大，織構(gòu)摩擦副活塞環(huán)、缸套磨損量均在微坑深度為30μm微織構(gòu)時(shí)取得最小值。2.2微織構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)磨損量的影響圖9為無(wú)織構(gòu)及織構(gòu)排布角度分別為0°、30°、60°的織構(gòu)活塞環(huán)與氣缸套配對(duì)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(wú)織構(gòu)摩擦副摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化不同，微織構(gòu)排布角度為30°、60°的摩擦副摩擦因數(shù)無(wú)明顯下降趨勢(shì);圖9b為不同排布角度微織構(gòu)摩擦副的平均摩擦因數(shù)圖，由圖可知，隨著織構(gòu)排布角度增加，織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)逐漸增大，排布角度為30°和60°微織構(gòu)摩擦副的平均摩擦因數(shù)均高于無(wú)織構(gòu)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(duì)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(gòu)排布角度增加而增大，排布角度為30°和60°微織構(gòu)摩擦副所對(duì)應(yīng)的活塞環(huán)、氣缸套磨損量均大于無(wú)織構(gòu)摩擦副，其中排布角度為60°微織構(gòu)摩擦副活塞環(huán)、氣缸套磨損量最大，分別達(dá)到5.72μm和3.51μm。圖10為無(wú)織構(gòu)及微織構(gòu)面積占有率分別為3%、5%、7%、9%的活塞環(huán)與氣缸套配對(duì)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(shí)間變化，摩擦因數(shù)均隨時(shí)間延長(zhǎng)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(jiàn)，織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)隨織構(gòu)面積占有率增加呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)面積占有率為5%時(shí)活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的摩擦因數(shù)最小;織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)均低于無(wú)織構(gòu)摩擦副;圖10c、10d分別為5種面積占有率微織構(gòu)活塞環(huán)和氣缸套的磨損量?？梢钥闯?，面積占有率對(duì)活塞環(huán)和氣缸套磨損量的影響與其對(duì)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(shì)，織構(gòu)摩擦副中活塞環(huán)與氣缸套的磨損量均低于無(wú)織構(gòu)摩擦副。2.3微織構(gòu)表面能譜分析圖11為無(wú)織構(gòu)及微坑直徑130μm、深度30μm、角度0°面積占有率為5%微織構(gòu)活塞環(huán)與氣缸套配對(duì)時(shí)表面磨損形貌。由圖可知，無(wú)織構(gòu)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(wú)織構(gòu)活塞環(huán)配對(duì)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(diǎn)、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(shuō)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(gòu)活塞環(huán)及其配對(duì)副缸套磨損試樣的磨損形貌，由圖可見(jiàn)，織構(gòu)活塞環(huán)表面有輕微劃痕，采用能譜儀對(duì)微坑內(nèi)成分進(jìn)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(yàn)過(guò)程中潤(rùn)滑油(4652D)進(jìn)入微坑造成的，說(shuō)明織構(gòu)能夠起到貯存潤(rùn)滑油的作用。與織構(gòu)活塞環(huán)配對(duì)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(wú)織構(gòu)及微坑直徑130μm、深度30μm、角度0°面積占有率為5%微織構(gòu)活塞環(huán)與氣缸套配對(duì)時(shí)共聚焦表面形貌照片。由圖可知，無(wú)織構(gòu)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(wú)織構(gòu)活塞環(huán)配對(duì)的氣缸套表面沿摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)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?yàn)榛w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(gòu)活塞環(huán)及其配對(duì)副缸套磨損試樣的共聚焦表面形貌照片，由圖可見(jiàn)，織構(gòu)活塞環(huán)表面沿運(yùn)動(dòng)方向存在磨痕，但磨痕區(qū)域相對(duì)無(wú)織構(gòu)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(gòu)活塞環(huán)配對(duì)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(duì)較輕。微織構(gòu)具有儲(chǔ)油功能，在摩擦試驗(yàn)過(guò)程中油膜承載力及分布是影響摩擦副摩擦學(xué)性能的重要因素。在摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，微坑中潤(rùn)滑油隨摩擦副向坑壁流動(dòng)，在微坑內(nèi)部靠近微坑一側(cè)形成收斂間隙，提高油膜承載能力，強(qiáng)化了動(dòng)壓效應(yīng)，降低了微織構(gòu)摩擦副的摩擦因數(shù)3磨損性能分