不同润滑油缸套涂层摩擦磨损性能研究

李世永 龚军振 张春明 王思阳 帅明轩

摘要：为了研究不同型号润滑油对有无涂层缸套摩擦磨损性能的影响，采用往复式摩擦磨损试验机进行样块试验，对DLC活塞环与有无涂层缸套及5W-30和10W-40润滑油进行配对对比试验，并通过扫描电镜观察其磨损后的缸套表面形貌。结果表明：5W-30和10W-40有涂层的样块平均摩擦系数分别为0.065 01和0.11，无涂层的样块平均摩擦系数为0.078 46和0.116；5W-30和10W-40有涂层的样块平均磨损量分别为0.317 μm和0.274 μm，无涂层的样块平均磨损量为1.688 μm和1.861 μm。结论：在相同试验条件下，有涂层样块的摩擦系数小于无涂层样块的摩擦系数，磨损量远小于无涂层区域的磨损量；在相同试验条件下，使用5W-30润滑油的摩擦系数小于使用10W-40的摩擦系数；涂层样块使用5W-30润滑油的磨损量略大于使用10W-40的磨损量；无涂层样块使用5W-30润滑油的磨损量略小于使用10W-40的磨损量；有无涂层对磨损量的影响很大，不同粘度的润滑油对摩擦系数的影响很大，但是不同粘度的润滑油对磨损量的影响较小。

关键词：DLC活塞环；涂层；润滑油；气缸套；摩擦磨损

中图分类号：TK421    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）17-0080-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.022

0    引言

活塞环—缸套摩擦副作为柴油机重要的摩擦副之一，其摩擦磨损性能对柴油机的动力性和使用寿命有着较大影响。随着柴油机对性能要求的提高，改善活塞环—缸套的摩擦磨损性能引起了广大学者的关注[1-4]。

涂层是用一定的工艺方法，均匀喷涂在基体表面的保护膜层，对基体耐磨性的提高有着重要意义。叶子波等人[5]研究了金属涂层缸套的耐磨性能，发现Cr3C2喷涂缸套在200 N载荷下摩擦系数随时间的增加呈阶梯式减小。李斌等人[6]发现松孔镀铬活塞环摩擦系数和磨损量比镀硬铬低3.96%、53.18%。李柏强等人[7]发现WC-12Co涂层Q235碳钢缸套具有优良的耐磨性能，比KmTBCr8白口铸铁缸套摩擦系数要低。熊春华等人[8]通过润滑计算模型，确定了适用于活塞环—缸套的润滑油粘度指标。瞿磊等人[9]通过在润滑油中添加MoS2发现0.1%的MoS2有效降低了缸套摩擦系数和磨损量，并且摩擦副表面也没有出现裂纹，明显改善了活塞环—缸套的摩擦磨损性能。

综上所述，通过表面处理工艺和改善润滑条件来提高活塞环—缸套摩擦磨损性能是可行的，并且具有更大的发展和应用潜力。因此，本研究通过一系列试验，在不同润滑状态下研究了DLC涂层对缸套的摩擦系数、磨损量的影响，并通过扫描电镜观察磨损形貌。结果表明，涂层对缸套磨损量的影响很大，不同粘度的润滑油对摩擦系数影响也大，但是不同粘度的润滑油对磨损量的影响较小。

1    试验材料及方法

1.1    试验材料

试验采用合金钢活塞环，取6份长度为8 mm的样块，其取样部位示意图如图1所示。

试验采用DLC涂层铸铁气缸套，涂层为DLC，分别在有无涂层区域取6份15 mm×43 mm的样块，取样部位示意图如图2所示。缸套表面原始形貌如图3（a）（b）所示，由图可以看出有涂层的样块表面有许多凹坑，这是涂层的喷涂孔隙，有利于存储润滑油。

5W-30和10W-40润滑油为市场通用润滑油。

1.2    试验方法

采用UMT-3摩擦磨损试验机进行往复式摩擦磨损试验，载荷为400 N，行程为15 mm，频率16.67 Hz，温度120 ℃，摩擦4 h，选择5W-30和10W-40两种润滑油，滴油速度为0.1 mL/min。为减小试验误差，分别进行3次试验对其求平均值，试验方案如表1所示。

试验装置为UMT-3摩擦磨损试验机，如图4所示。

试验流程如图5所示，每次试验结束后，将样块放入超声清洗机中清洗15 min，清洗介质为酒精。采用三维形貌仪NPFLEX测量磨痕宽度、深度，采用扫描电镜（SUPRATM55）对试验后的样块磨损表面形貌进行观察。

2    试验结果与分析

2.1    摩擦系数和磨损量

表2、表3显示了使用不同型号的润滑油时样块的摩擦系数和磨损量的试验结果。

根据表2、表3绘制对比图形，如图6所示。结合表2、表3及图6可以看出，使用5W-30润滑油时，无涂层样块的平均摩擦系数为0.078 46，有涂層样块的平均摩擦系数为0.065 01，降低了17%；无涂层样块的平均磨损量为1.688 μm，有涂层样块的平均磨损量为0.317 μm，降低了81%。使用10W-40润滑油时，无涂层样块的平均摩擦系数为0.116，有涂层样块的平均摩擦系数为0.11，降低了5%；无涂层样块的平均磨损量为1.861 μm，有涂层样块的平均磨损量为0.274 μm，降低了85%。同时也可以看出，使用5W-30润滑油的样块摩擦系数小于使用10W-40的摩擦系数，说明了样块不同粘度的润滑油对摩擦系数影响较大。

2.2    磨损表面形貌

图7为试验后缸套有涂层磨损量数据，图8为试验后缸套无涂层磨损量数据，可以看出图8中无涂层样块磨痕宽度、深度比较明显，而图7中涂层样块几乎没有磨损，这说明涂层有着较好的微裂纹抵抗能力，有效改善了缸套的耐磨性能。而无涂层样块由于性能较差，受到载荷挤压时，磨屑会挤到网纹中产生堆积，被当作磨料，增大了活塞环与缸套的接触面积，也致使摩擦系数增大。同时也可以看出，涂层样块使用5W-30润滑油的磨损量略大于使用10W-40的磨损量，无涂层样块使用5W-30润滑油的磨损量略小于使用10W-40的磨损量，说明了样块有无涂层对磨损量的影响很大，但是不同粘度的润滑油对磨损量的影响较小。

图9（a）（b）显示了在120 ℃、润滑条件下缸套样块的磨损形貌。受到400 N载荷时，样块大部分表面被磨平，这是由于在摩擦过程中脱落的涂层被挤压嵌入到网纹和凹坑中，使润滑油不再聚集，在摩擦副表面形成均匀的油膜，从而降低了摩擦系数，减小了磨损量。而无涂层的样块性能较差，在摩擦时缸套表面会产生微裂纹，随着磨损时间加长，微裂纹足够大时，就会造成部分硬质相脱落作为磨粒，进一步加剧了缸套的磨损，因此在缸套表面出现了沿运动方向的划痕，进一步增加了缸套的磨损量，主要表现为磨粒磨损。试验不是在封闭环境中进行的，因此在油膜不均匀的地方可能存在氧化磨损。

3    结论

本文对不同润滑条件下有无涂层缸套进行了摩擦磨损试验，试验后采用扫描电镜等对试验数据进行测量，通过对试验数据的分析比较得到如下结论：

（1）在相同试验条件下，与DLC活塞环匹配，有涂层缸套样块摩擦系数小于无涂层缸套样块，有涂层样块的磨损量远小于无涂层区域的磨损量。

（2）在相同试验条件下，使用5W-30润滑油的摩擦系数小于使用10W-40的摩擦系数。

（3）在相同试验条件下，涂层样块使用5W-30润滑油的磨损量略大于使用10W-40的磨损量。

（4）在相同试验条件下，无涂层样块使用5W-30润滑油的磨损量略小于使用10W-40的磨损量。

（5）有无涂层对磨损量的影响很大，不同粘度的润滑油对摩擦系数的影响很大，但是不同粘度的润滑油对磨损量的影响较小。

[参考文献]

[1] 关耀威，张宇洋，段伟，等.7075-T651铝合金摩擦磨损性能研究[J].材料研究与应用，2022，16（6）：1046-1051.

[2] 杨杰.模具表面凹/凸体织构化涂层结合强度与摩擦磨损性能研究[D].镇江：江苏大学，2022.

[3] 赵祥.磨粒工况机械密封端面摩擦磨损及密封性能研究[D].北京：北京化工大学，2022.

[4] 黄旭，陈楠，马东元，等.基于试验技术的发动机可靠性评估及摩擦磨损试验[J].时代汽车，2022（9）：50-51.

[5] 叶子波，符兴锋，王光宏，等.发动机缸套金属陶瓷涂层高频重载摩擦磨损试验研究[J].车用发动机，2013（3）：65-70.

[6] 李斌，陈勇，蔡军，等.镀铬活塞环摩擦磨损性能研究[J].军事交通学院学报，2020，22（9）：85-90.

[7] 李柏强，梁文萍，缪强，等.等离子喷涂WC-12Co涂层磨损性能研究[J].熱处理，2015，30（6）：6-12.

[8] 熊春华，王成彪，赵巍，等.润滑油粘度对缸套/活塞环摩擦学性能的影响[J].机械工程师，2011（6）：9-11.

[9] 瞿磊，蒋安，王忠，等.润滑条件与缸套材料对活塞环-缸套摩擦磨损特性的影响[J].机械工程材料，2021，45（12）：36-41.

收稿日期：2023-05-12

作者简介：李世永（1987—），男，山东人，工程师，研究方向：内燃机制造技术。

通信作者：龚军振（1989—），男，河南项城人，工程师，研究方向：内燃机制造技术。