納米TiO2和Al2O3添加劑潤(rùn)滑油對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦磨損性能的影響*

侯獻(xiàn)軍 蔡清平 陳必成Mohamed Kamal Ahmed Ali 彭輔明

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070) (汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070) (米尼亞大學(xué)工程學(xué)院汽車和拖拉機(jī)專業(yè)3) 米尼亞 61111)

納米TiO2和Al2O3添加劑潤(rùn)滑油對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦磨損性能的影響*

侯獻(xiàn)軍1,2)蔡清平1,2)陳必成1,2)Mohamed Kamal Ahmed Ali1,3)彭輔明1,2)

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)武漢 430070) (汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢 430070) (米尼亞大學(xué)工程學(xué)院汽車和拖拉機(jī)專業(yè)3)米尼亞 61111)

以普通5W-30潤(rùn)滑油作為基礎(chǔ)油，按一定配比添加納米Al2O3和TiO2粉末，通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)架高度模擬缸套-活塞環(huán)的工作環(huán)境，研究不同載荷下納米添加劑潤(rùn)滑油對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損特性的影響.使用二分力拉壓傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量及保存摩擦副的受力；用0.1 mg精度電子天平測(cè)量摩擦前后活塞環(huán)的質(zhì)量損失；用三維表面輪廓儀掃描試樣表面形貌；用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)樣本進(jìn)行微觀觀察及能譜分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米Al2O3和TiO2添加劑潤(rùn)滑油能夠顯著的改善缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦磨損性能，同5W-30基礎(chǔ)油相比，納米Al2O3潤(rùn)滑油使摩擦副的摩擦因數(shù)和磨損率分別降低48.5%和21.6%，而納米TiO2潤(rùn)滑油則分別降低49.9%和37.6%，表面平整度及表面磨痕也相應(yīng)得到改善.

缸套-活塞環(huán)；納米Al2O3；納米TiO2；摩擦磨損

0 引 言

作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要摩擦副，缸套-活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性、工作效率，以及排放特性具有重要影響[1-3].缸套-活塞環(huán)摩擦副的工作條件十分惡劣，在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程中不間斷的受到燃?xì)鈮毫巴鶑?fù)慣性力的作用，摩擦磨損十分嚴(yán)重.研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損耗占其全部生成熱量的17%～19%，缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦損耗占全部機(jī)械損耗的40%～50%[4].性能優(yōu)異的潤(rùn)滑油能夠顯著降低摩擦副之間的摩擦磨損，而好的添加劑則能夠明顯改善潤(rùn)滑油的各項(xiàng)性能.

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1～100 nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，它獨(dú)特的量子尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)，以及低熔點(diǎn)等特性使其對(duì)潤(rùn)滑油的改性具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[5].近年來納米材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油添加劑的性能一直是業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)，韓德寶等[6]利用化學(xué)耦合劑將納米Al2O3粉末與CD40潤(rùn)滑油均勻混合，驗(yàn)證了Al2O3具有修復(fù)摩擦副表面和強(qiáng)化基體的作用，從而提高缸套-活塞環(huán)摩擦副減摩抗磨性能.錢建華等[7]利用硬脂酸修飾TiO2，驗(yàn)證了TiO2作為液體石蠟的添加劑具有良好的減摩抗磨性能；Ajinkya等[8]通過銷盤摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了含不同濃度納米CuO添加劑的潤(rùn)滑油性能.盡管納米材料作為一種優(yōu)異的潤(rùn)滑油添加劑已為越來越多的人所接受，但發(fā)動(dòng)機(jī)納米添加劑潤(rùn)滑油對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)特性影響的研究卻并不多見，僅有的少數(shù)研究中，多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是在摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，有的甚至直接采用摩擦塊代替缸套-活塞環(huán)摩擦副，這些都不能很好的模擬出缸套-活塞環(huán)摩擦副的工作環(huán)境.

文中通過自主設(shè)計(jì)高度仿真的摩擦實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，以某發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-活塞環(huán)作為研究對(duì)象，選取5W-30潤(rùn)滑油作為基礎(chǔ)油，納米TiO2及Al2O3粉末作為添加劑，使用能夠均勻混溶納米材料與潤(rùn)滑油的油酸作為修飾劑，研究不同載荷下含有納米添加劑的潤(rùn)滑油對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦磨損特性的影響，并將其與5W-30潤(rùn)滑油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣本制備

缸套-活塞環(huán)取自某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，活塞環(huán)尺寸為1.9 mm×2.3 mm×18 mm，硬度為320 HV,缸套硬度為413 HV.將缸套線切割成3等份，并將活塞環(huán)配對(duì)切割，以便于安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上.以5W-30機(jī)油作為基礎(chǔ)油，油酸作為表面修飾劑，納米TiO2和Al2O3粉末分別作為添加劑，使用精度為0.1 mg的電子天平輔助配置溶液，其中納米材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，油酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.75%，基礎(chǔ)油占比90%.配置好的溶液使用磁力攪拌器攪拌4 h，使之形成均勻的懸浮態(tài)油液.

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架搭建

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)活塞的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，以三相異步電機(jī)作為動(dòng)力來源，變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過鏈條帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)式滑動(dòng)，缸套由螺栓固定在滑塊上一起運(yùn)動(dòng)，滑塊底面和側(cè)面設(shè)有凹槽并均勻分布8 mm鋼球以減少摩擦阻力，活塞環(huán)通過夾具固定，并通過懸臂梁對(duì)摩擦副施加載荷，搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架見圖1.

1-鑄鐵底板；2-電動(dòng)機(jī)；3-變頻控制器；4-鏈條；5-立式外球面軸承座；6-曲柄 連桿機(jī)構(gòu)；7-往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)滑塊；8-導(dǎo)向塊；9-導(dǎo)向小球；10-缸套試件；11-活 塞環(huán)試件；12-活塞環(huán)試件夾具；13-復(fù)合力傳感器；14-懸臂梁；15-懸臂梁支 架；16-往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)滑軌；17-立式外球面軸承座支架；18-電動(dòng)機(jī)支架 圖1 缸套-活塞環(huán)摩擦磨損原理圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中的摩擦力及壓力由二分力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量保存.實(shí)驗(yàn)前后使用精度為0.1 mg的電子天平測(cè)量活塞環(huán)的質(zhì)量變化；使用三維表面輪廓儀對(duì)缸套試樣進(jìn)行微觀分析；使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)在微觀下觀察洗凈后的缸套試樣表面并做能譜分析.

實(shí)驗(yàn)時(shí)用注射器量取5 mL潤(rùn)滑油混合液加入缸套中，滑塊速度保持在0.5 m/s，分別在30，60，90，120，180 N載荷下相對(duì)運(yùn)行20 km，將測(cè)得的數(shù)據(jù)換算成摩擦系數(shù)再求其平均值；缸套-活塞環(huán)摩擦副相對(duì)運(yùn)行40 km，分別測(cè)量出相對(duì)運(yùn)行20，30，40 km時(shí)活塞環(huán)的質(zhì)量損失，換算出體積損失后再通過磨損率公式計(jì)算出活塞環(huán)的體積磨損率；將使用納米添加劑潤(rùn)滑油試樣的微觀形貌圖與使用5W-30潤(rùn)滑油的形貌圖進(jìn)行對(duì)比，分析其表面粗糙度變化以及表面磨痕情況，查看實(shí)驗(yàn)后活塞環(huán)表面的能譜分析圖，檢查摩擦表面是否分布有對(duì)應(yīng)的納米元素.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同載荷下摩擦系數(shù)的變化

圖2為在實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，缸套-活塞環(huán)摩擦系數(shù)隨載荷的變化.隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)逐漸降低，與5W-30基礎(chǔ)油相比，使用納米添加劑潤(rùn)滑油的樣本摩擦系數(shù)顯著降低，且下降幅度更大，當(dāng)載荷繼續(xù)增大時(shí)各摩擦系數(shù)趨于相等，這可能是由于在適當(dāng)載荷下納米材料能夠在摩擦副表面形成一層薄膜并起到微軸承的作用.納米TiO2和Al2O3粉末對(duì)摩擦副的減摩作用十分接近，只是在載荷為90 N～180 N之間，納米TiO2粉末的減摩性能略微優(yōu)異.其中在載荷為90 N時(shí)摩擦系數(shù)降比最大，添加TiO2和Al2O3的潤(rùn)滑油分別達(dá)到49.7%和48.5%，與5W-30相比表現(xiàn)出良好的減摩性能.

圖2 不同載荷下缸套-活塞環(huán)的摩擦系數(shù)

2.2 相同載荷下磨損率的變化

圖3為缸套-活塞環(huán)樣本在試驗(yàn)載荷為230 N時(shí)，分別相對(duì)運(yùn)動(dòng)20，30，40 km時(shí)活塞環(huán)磨損率的變化.由圖3可知，添加納米材料后活塞環(huán)的磨損率均有不同程度的降低，同5W-30相比，在相對(duì)運(yùn)行20 km時(shí)納米TiO2潤(rùn)滑油的降幅達(dá)到了最高為37.6%，相對(duì)運(yùn)行40 km時(shí)納米Al2O3潤(rùn)滑油的降幅最高達(dá)到21.6%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨性能.同納米Al2O3潤(rùn)滑油相比，納米TiO2潤(rùn)滑油的試樣在連續(xù)運(yùn)行20，30 km時(shí)的減磨效果顯得更為優(yōu)異，但在相對(duì)運(yùn)行40 km后，其減磨效果下降較快甚至低于Al2O3粉末，此時(shí)2種潤(rùn)滑油對(duì)應(yīng)的磨損率分別為15.34%和21.6%.納米Al2O3潤(rùn)滑油適用于連續(xù)長(zhǎng)距離行駛的車輛潤(rùn)滑，而TiO2潤(rùn)滑油則在城市內(nèi)作短距離行駛的車輛上效果更佳，但兩種潤(rùn)滑油在車輛長(zhǎng)距離行駛時(shí)也能達(dá)到很好的潤(rùn)滑效果.

圖3 運(yùn)行不同里程后活塞環(huán)的磨損率變化

2.3 摩擦表面的微觀形貌

圖4為缸套-活塞環(huán)試樣在180 N載荷作用下相對(duì)運(yùn)行15 km后活塞環(huán)的表面輪廓圖，使用5W-30基礎(chǔ)油的活塞環(huán)，其表面起伏度較大，波峰和波谷相對(duì)明顯，而使用納米TiO2添加劑潤(rùn)滑油的活塞環(huán)(見圖4b)波峰下降18.8%，起伏度下降50%；使用添加納米Al2O3添加劑潤(rùn)滑油的活塞環(huán)(見圖4c)表面輪廓改善明顯，波峰值降低62.5%，起伏度從18 μm下降到4.5 μm降幅達(dá)到75%；可見使用納米添加劑潤(rùn)滑油能夠顯著提高活塞環(huán)的抗磨損作用.表1列出了實(shí)驗(yàn)后活塞環(huán)的表面粗糙度，與使用5W-30潤(rùn)滑油的活塞環(huán)相比，使用納米添加劑潤(rùn)滑油的活塞環(huán)表面粗糙度大大降低，納米TiO2添加劑潤(rùn)滑油降比為50.1%，納米Al2O3潤(rùn)滑油降比為82.5%.

圖4 活塞環(huán)的三維表面輪廓圖

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

2.4 電鏡掃描及能譜分析

缸套-活塞環(huán)摩擦副在載荷為180 N,線速度為0.5 m/s的條件下相對(duì)運(yùn)動(dòng)20 km，將試驗(yàn)后的活塞環(huán)清洗干凈再鑲嵌固定，使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)進(jìn)行微觀分析，結(jié)果見圖5.從圖中可以直觀的看到納米添加劑潤(rùn)滑油的抗磨效果明顯，使用5W-30基礎(chǔ)油的活塞環(huán)表面磨痕分布廣泛，在圖片中部尤其明顯，而使用納米添加劑潤(rùn)滑油的活塞環(huán)表面磨痕不但較少，并且劃痕程度較輕.表2列出了活塞環(huán)EDS點(diǎn)掃結(jié)果，對(duì)應(yīng)活塞環(huán)上均含有與之相應(yīng)的金屬元素，這證明了納米材料能夠在摩擦副表面沉積形成薄膜，活塞環(huán)的磨痕減少可能是由于納米材料能夠填充和修復(fù)磨痕表面.

圖5 活塞環(huán)表面磨損形貌SEM圖片

根據(jù)活塞環(huán)頂部的EDS面掃結(jié)果，可以很清晰的看到Ti元素均勻的分布在掃描區(qū)域內(nèi)，這表明在實(shí)驗(yàn)過程中納米材料能夠?qū)δΣ粮北砻孢M(jìn)行填充和修復(fù)，從而提高活塞環(huán)的抗磨能力.

表2 活塞環(huán)EDS點(diǎn)掃元素分布 %

3 結(jié) 論

1) 納米Al2O3和TiO2粉末作為潤(rùn)滑油添加劑能夠顯著提高摩缸套-活塞環(huán)擦副的減摩抗磨性能，與使用基礎(chǔ)潤(rùn)滑油的試樣相比，使用納米潤(rùn)滑油的試樣在摩擦系數(shù)、磨損率、表面粗糙度以及磨痕深度方面都得到較大改善.

2) 試驗(yàn)載荷對(duì)納米潤(rùn)滑油的作用效果影響顯著，在中等負(fù)荷下潤(rùn)滑油的減摩效果最佳，當(dāng)負(fù)荷過大或過小時(shí)，效果相應(yīng)減弱但仍能達(dá)到15%以上.

3) 納米材料能夠?qū)δp表面進(jìn)行填充修復(fù)，并在其表面形成一層保護(hù)膜，從而大大增加缸套-活塞環(huán)的抗磨減摩性能.

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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

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目資助(51575410)

TH117.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.003

侯獻(xiàn)軍(1973—)：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)CAD/CAE，發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制及電控技術(shù)