纳米TiO2和Al2O3添加剂润滑油对缸套-活塞环摩擦磨损性能的影响*

侯献军 蔡清平 陈必成Mohamed Kamal Ahmed Ali 彭辅明

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1) 武汉 430070) (汽车零部件技术湖北省协同创新中心2) 武汉 430070) (米尼亚大学工程学院汽车和拖拉机专业3) 米尼亚 61111)

纳米TiO2和Al2O3添加剂润滑油对缸套-活塞环摩擦磨损性能的影响*

侯献军1,2)蔡清平1,2)陈必成1,2)Mohamed Kamal Ahmed Ali1,3)彭辅明1,2)

(现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)武汉 430070) (汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)武汉 430070) (米尼亚大学工程学院汽车和拖拉机专业3)米尼亚 61111)

以普通5W-30润滑油作为基础油，按一定配比添加纳米Al2O3和TiO2粉末，通过实验台架高度模拟缸套-活塞环的工作环境，研究不同载荷下纳米添加剂润滑油对缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损特性的影响.使用二分力拉压传感器和数据采集系统测量及保存摩擦副的受力；用0.1 mg精度电子天平测量摩擦前后活塞环的质量损失；用三维表面轮廓仪扫描试样表面形貌；用场发射扫描电镜对样本进行微观观察及能谱分析.实验结果表明，纳米Al2O3和TiO2添加剂润滑油能够显著的改善缸套-活塞环摩擦副的摩擦磨损性能，同5W-30基础油相比，纳米Al2O3润滑油使摩擦副的摩擦因数和磨损率分别降低48.5%和21.6%，而纳米TiO2润滑油则分别降低49.9%和37.6%，表面平整度及表面磨痕也相应得到改善.

缸套-活塞环；纳米Al2O3；纳米TiO2；摩擦磨损

0 引 言

作为汽车发动机的主要摩擦副，缸套-活塞环的摩擦学性能对于发动机的工作稳定性、工作效率，以及排放特性具有重要影响[1-3].缸套-活塞环摩擦副的工作条件十分恶劣，在发动机的整个运行过程中不间断的受到燃气压力及往复惯性力的作用，摩擦磨损十分严重.研究发现，发动机的摩擦损耗占其全部生成热量的17%～19%，缸套-活塞环摩擦副的摩擦损耗占全部机械损耗的40%～50%[4].性能优异的润滑油能够显著降低摩擦副之间的摩擦磨损，而好的添加剂则能够明显改善润滑油的各项性能.

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，它独特的量子尺寸效应、表面界面效应，以及低熔点等特性使其对润滑油的改性具有得天独厚的优势[5].近年来纳米材料作为发动机润滑油添加剂的性能一直是业内的研究重点，韩德宝等[6]利用化学耦合剂将纳米Al2O3粉末与CD40润滑油均匀混合，验证了Al2O3具有修复摩擦副表面和强化基体的作用，从而提高缸套-活塞环摩擦副减摩抗磨性能.钱建华等[7]利用硬脂酸修饰TiO2，验证了TiO2作为液体石蜡的添加剂具有良好的减摩抗磨性能；Ajinkya等[8]通过销盘摩擦试验机研究了含不同浓度纳米CuO添加剂的润滑油性能.尽管纳米材料作为一种优异的润滑油添加剂已为越来越多的人所接受，但发动机纳米添加剂润滑油对缸套-活塞环摩擦学特性影响的研究却并不多见，仅有的少数研究中，多数实验都是在摩擦试验机上进行，有的甚至直接采用摩擦块代替缸套-活塞环摩擦副，这些都不能很好的模拟出缸套-活塞环摩擦副的工作环境.

文中通过自主设计高度仿真的摩擦实验台架，以某发动机缸套-活塞环作为研究对象，选取5W-30润滑油作为基础油，纳米TiO2及Al2O3粉末作为添加剂，使用能够均匀混溶纳米材料与润滑油的油酸作为修饰剂，研究不同载荷下含有纳米添加剂的润滑油对缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损特性的影响，并将其与5W-30润滑油的实验结果进行对比分析.

1 实验设计

1.1 实验样本制备

缸套-活塞环取自某四缸发动机，活塞环尺寸为1.9 mm×2.3 mm×18 mm，硬度为320 HV,缸套硬度为413 HV.将缸套线切割成3等份，并将活塞环配对切割，以便于安装在实验台架上.以5W-30机油作为基础油，油酸作为表面修饰剂，纳米TiO2和Al2O3粉末分别作为添加剂，使用精度为0.1 mg的电子天平辅助配置溶液，其中纳米材料质量分数为0.25%，油酸质量分数为9.75%，基础油占比90%.配置好的溶液使用磁力搅拌器搅拌4 h，使之形成均匀的悬浮态油液.

1.2 实验台架搭建

实验台架模拟发动机工作时活塞的往复式运动，以三相异步电机作为动力来源，变频器控制电动机转速，通过链条带动曲柄连杆机构运动，将电动机的旋转运动转化为滑块的往复式滑动，缸套由螺栓固定在滑块上一起运动，滑块底面和侧面设有凹槽并均匀分布8 mm钢球以减少摩擦阻力，活塞环通过夹具固定，并通过悬臂梁对摩擦副施加载荷，搭建的实验台架见图1.

1-铸铁底板；2-电动机；3-变频控制器；4-链条；5-立式外球面轴承座；6-曲柄 连杆机构；7-往复直线运动滑块；8-导向块；9-导向小球；10-缸套试件；11-活 塞环试件；12-活塞环试件夹具；13-复合力传感器；14-悬臂梁；15-悬臂梁支 架；16-往复直线运动滑轨；17-立式外球面轴承座支架；18-电动机支架 图1 缸套-活塞环摩擦磨损原理图

1.3 实验方法

实验过程中的摩擦力及压力由二分力传感器及数据采集系统测量保存.实验前后使用精度为0.1 mg的电子天平测量活塞环的质量变化；使用三维表面轮廓仪对缸套试样进行微观分析；使用场发射扫描电镜(FESEM)在微观下观察洗净后的缸套试样表面并做能谱分析.

实验时用注射器量取5 mL润滑油混合液加入缸套中，滑块速度保持在0.5 m/s，分别在30，60，90，120，180 N载荷下相对运行20 km，将测得的数据换算成摩擦系数再求其平均值；缸套-活塞环摩擦副相对运行40 km，分别测量出相对运行20，30，40 km时活塞环的质量损失，换算出体积损失后再通过磨损率公式计算出活塞环的体积磨损率；将使用纳米添加剂润滑油试样的微观形貌图与使用5W-30润滑油的形貌图进行对比，分析其表面粗糙度变化以及表面磨痕情况，查看实验后活塞环表面的能谱分析图，检查摩擦表面是否分布有对应的纳米元素.

2 结果与分析

2.1 不同载荷下摩擦系数的变化

图2为在实验条件相同的情况下，缸套-活塞环摩擦系数随载荷的变化.随着载荷的增加，摩擦系数逐渐降低，与5W-30基础油相比，使用纳米添加剂润滑油的样本摩擦系数显著降低，且下降幅度更大，当载荷继续增大时各摩擦系数趋于相等，这可能是由于在适当载荷下纳米材料能够在摩擦副表面形成一层薄膜并起到微轴承的作用.纳米TiO2和Al2O3粉末对摩擦副的减摩作用十分接近，只是在载荷为90 N～180 N之间，纳米TiO2粉末的减摩性能略微优异.其中在载荷为90 N时摩擦系数降比最大，添加TiO2和Al2O3的润滑油分别达到49.7%和48.5%，与5W-30相比表现出良好的减摩性能.

图2 不同载荷下缸套-活塞环的摩擦系数

2.2 相同载荷下磨损率的变化

图3为缸套-活塞环样本在试验载荷为230 N时，分别相对运动20，30，40 km时活塞环磨损率的变化.由图3可知，添加纳米材料后活塞环的磨损率均有不同程度的降低，同5W-30相比，在相对运行20 km时纳米TiO2润滑油的降幅达到了最高为37.6%，相对运行40 km时纳米Al2O3润滑油的降幅最高达到21.6%，表现出优异的抗磨性能.同纳米Al2O3润滑油相比，纳米TiO2润滑油的试样在连续运行20，30 km时的减磨效果显得更为优异，但在相对运行40 km后，其减磨效果下降较快甚至低于Al2O3粉末，此时2种润滑油对应的磨损率分别为15.34%和21.6%.纳米Al2O3润滑油适用于连续长距离行驶的车辆润滑，而TiO2润滑油则在城市内作短距离行驶的车辆上效果更佳，但两种润滑油在车辆长距离行驶时也能达到很好的润滑效果.

图3 运行不同里程后活塞环的磨损率变化

2.3 摩擦表面的微观形貌

图4为缸套-活塞环试样在180 N载荷作用下相对运行15 km后活塞环的表面轮廓图，使用5W-30基础油的活塞环，其表面起伏度较大，波峰和波谷相对明显，而使用纳米TiO2添加剂润滑油的活塞环(见图4b)波峰下降18.8%，起伏度下降50%；使用添加纳米Al2O3添加剂润滑油的活塞环(见图4c)表面轮廓改善明显，波峰值降低62.5%，起伏度从18 μm下降到4.5 μm降幅达到75%；可见使用纳米添加剂润滑油能够显著提高活塞环的抗磨损作用.表1列出了实验后活塞环的表面粗糙度，与使用5W-30润滑油的活塞环相比，使用纳米添加剂润滑油的活塞环表面粗糙度大大降低，纳米TiO2添加剂润滑油降比为50.1%，纳米Al2O3润滑油降比为82.5%.

图4 活塞环的三维表面轮廓图

油样面粗糙度/μmSaSq5W-301.5372.1195W-30+wAl2O30.25%0.2690.3665W-30+wTiO20.25%0.7670.962

2.4 电镜扫描及能谱分析

缸套-活塞环摩擦副在载荷为180 N,线速度为0.5 m/s的条件下相对运动20 km，将试验后的活塞环清洗干净再镶嵌固定，使用场发射扫描电镜(FESEM)进行微观分析，结果见图5.从图中可以直观的看到纳米添加剂润滑油的抗磨效果明显，使用5W-30基础油的活塞环表面磨痕分布广泛，在图片中部尤其明显，而使用纳米添加剂润滑油的活塞环表面磨痕不但较少，并且划痕程度较轻.表2列出了活塞环EDS点扫结果，对应活塞环上均含有与之相应的金属元素，这证明了纳米材料能够在摩擦副表面沉积形成薄膜，活塞环的磨痕减少可能是由于纳米材料能够填充和修复磨痕表面.

图5 活塞环表面磨损形貌SEM图片

根据活塞环顶部的EDS面扫结果，可以很清晰的看到Ti元素均匀的分布在扫描区域内，这表明在实验过程中纳米材料能够对摩擦副表面进行填充和修复，从而提高活塞环的抗磨能力.

表2 活塞环EDS点扫元素分布 %

3 结 论

1) 纳米Al2O3和TiO2粉末作为润滑油添加剂能够显著提高摩缸套-活塞环擦副的减摩抗磨性能，与使用基础润滑油的试样相比，使用纳米润滑油的试样在摩擦系数、磨损率、表面粗糙度以及磨痕深度方面都得到较大改善.

2) 试验载荷对纳米润滑油的作用效果影响显著，在中等负荷下润滑油的减摩效果最佳，当负荷过大或过小时，效果相应减弱但仍能达到15%以上.

3) 纳米材料能够对磨损表面进行填充修复，并在其表面形成一层保护膜，从而大大增加缸套-活塞环的抗磨减摩性能.

[1]张瑞军,李生华,金元生,等.二烷基二硫代甲酸钼和二烷基二硫代磷酸钼对缸套活塞环摩擦学行为的影响[J].摩擦学学报,2001,21(3):191-195.

[2]ALI M, XIAN J H, TURKSON RF, et al. An analytical study of tribological parameters between piston ring and cylinder liner in internal combustion engines[J]. Nanotechnology Reviews,2014(3):189-194.

[3]郭智威.船舶柴油机缸套-活塞环表面纹理表征及运行状态辨识方法研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[4]ALI M, XIAN J H.Improving the tribological behavior of internal combustion engines via the addition of nanoparticles to engine oils[J]. Nanotechnology Reviews,2015,12(4):347-358.

[5]王晓丽,徐滨士,许一,等.纳米铜润滑油添加剂的摩擦磨损特性及其机理研究[J].摩擦学学报,2007,27(3):235-240.

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[7]钱建华,阴翔宇,张月,等.二氧化钛微球合成、表面修饰及摩擦学性能[J].化工学报,2012,63(6):1986-1991.

[8]AJINKYA S, PISAL D S. Experimental investigation of tribological properties of engine oil with CuO nanoparticles [J].International Journal on Theoretical and Applied Research in Mechanical Engineering,2004,3(2):34-38.

Effect of Nano Al2O3and TiO2Lubricants on the Characteristics of Wear and Friction of Cylinder Liner/Piston Ring

HOU Xianjun1,2)CAI Qingping1,2)CHEN Bicheng1,2)MOHAMED Kamal Ahmed Ali1,3)PENG Fuming1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)(AutomotiveandTractorsEngineeringDepartment,FacultyofEngineering.MiniaUniversity,El-Minia61111,Egypt)3)

Choosing ordinary synthetic oil 5W-30 as the base oil, an experiment is carried out by using simulation workbench to study the effect of nano Al2O3and TiO2on the wear and friction of cylinder liner/piston ring. Friction forces and weight loss are measured by data acquisition with composite sensor and electronic balance. The morphology and EDS map of rubbing pair are investigated by 3-D profiler and FESEM. Compared with the base oil, the obtained results show that friction coefficient and wear rate decrease by 49.9% and 37.6%, respectively for using oil with TiO2. In addition, the friction coefficient and wear rate decrease by 48.5% and 21.6%, respectively, for using oil with Al2O3.

cylinder liner-piston ring; nano aluminum oxide; nano titanium oxide; wear and friction

2017-01-27

*国家自然科学基金资助项目资助(51575410)

TH117.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.003

侯献军(1973—)：男，博士，教授，主要研究领域为汽车及发动机CAD/CAE，发动机排放控制及电控技术