高低温环境下镀铬气缸套及其微织构表面摩擦磨损行为研究

来源 :大连海事大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lianxirenll520
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为了提高燃油效率,减少尾气排放,以及提高功率密度,柴油机的强化程度不断提高,活塞环-气缸套运动副面临的工况也愈发苛刻。相比于铸铁气缸套,钢质镀铬气缸套具有良好的耐磨性、耐腐蚀性,特别是强度明显提高,适合用在高强化、高紧凑柴油机中,但是在高强化工况条件下,镀铬气缸套的摩擦学性能也需要进一步提高,以应对更加严苛的温度、载荷条件,达到降低摩擦因数、延长磨损寿命、提高抗黏着磨损能力的要求。本文针对喷钼活塞环-镀铬气缸套摩擦副,采用对置往复式摩擦磨损试验机模拟边界润滑状态,在-20℃-240℃的宽温度范围下,研究了高低温和强化载荷等试验条件对摩擦磨损性能的影响规律,分析了磨损表面的微观形貌、微区元素分布和摩擦化学反应产物,探讨了耐磨添加剂二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)在镀铬气缸套表面的作用机制;然后采用往复式电射流技术在镀铬气缸套表面制备了微织构,优化了镀铬气缸套微织构电解加工参数,研究了不同参数圆形微织构对摩擦磨损性能的影响规律,分析了微织构磨损表面的微观形貌、微区元素分布和摩擦化学反应产物,探讨了镀铬气缸套微织构表面的减摩耐磨机制,这些研究为在高低温环境下镀铬气缸套表面减摩耐磨技术开发提供了试验依据和技术支撑。取得的主要结论如下:(1)当高温工况从90℃升高到240℃,喷钼活塞环-镀铬气缸套摩擦副的摩擦系数逐渐下降,镀铬气缸套磨损量逐渐上升,喷钼活塞环磨损量逐渐下降;而随着载荷从22MPa升高到66MPa,摩擦系数逐渐下降,气缸套和活塞环磨损量逐渐升高;磨损表面分析表明,耐磨添加剂ZDDP在温度和应力的作用下,会不断分解成白亮斑点呈现在摩擦表面,并且随着温度和载荷的增加白亮斑点分布也会开始增多。(2)在-20℃到20℃的低温工况下,强化载荷对摩擦磨损性能的影响会比低温温度更显著;随着低温温度从-20℃升高到20℃,气缸套和活塞环摩擦系数和磨损量均增加,并且ZDDP在低温下没有发生摩擦化学反应。在低温温度0℃时,随着载荷从22MPa升高到44MPa,气缸套和活塞环摩擦系数下降,磨损量升高,但当载荷达到66MPa时发生严重的黏着磨损,摩擦系数和磨损量突增并发生拉缸。(3)当选择直径为800μm的微织构掩模板时,随着加工电流的增加,圆形微织构的直径和深度随之增加;随着电解时间的增加,圆形微织构的深度和直径随之增加;随着电解液流量的增加,深度先增加后减小,直径逐渐增大。加工电流和电解液流量对圆形微织构三维形貌和精度影响较大。当加工电流为1.5A,电解时间为60s,电解液流量为45ml/s时,可以在镀铬气缸套表面制备出直径约810μm,深度约11μm的圆形微织构。(4)通过设计正交试验方案,研究了不同微织构形貌摩擦磨损性能,结果表明,相比于其它微织构参数,当微织构直径400μm、面积占有率20%、排布方式相交时,摩擦系数最低,而微织构直径400μm、面积占有率10%、排布方式相交时,磨损量最低;经过优化的镀铬气缸套微织构表面参数可以有效提高配对副摩擦磨损性能,但未优化微织构参数会降低配对副的耐磨性能;摩擦化学反应产物分析表明,ZDDP在微织构镀铬气缸套表面形成的摩擦膜,主要成分为硫化物、短链磷酸盐等化合物,铬基体并没有和ZDDP中的S、P、Zn等元素发生摩擦化学反应,只形成了氧化物,相比于无织构表面,微织构气缸套表面摩擦化学反应产物中硫化物、磷酸盐占比更高。
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