（材料科学与工程专业论文）高强化系数柴油机缸套摩擦磨损行为研究.pdf

摘要 摘要 缸套 活塞环是内燃机的关键零部件之一 其工作的好坏直接影响着内燃机的 可靠性 近年来 由于内燃机向高速和爆压方向发展 对高强化系数柴油机缸套 要求越来越苛刻 对其缸套材料在高温 高压下的耐磨性也提出了更高的标准 因此深入研究内燃机缸套 活塞环摩擦磨损问题 可以提高缸套 活塞环的性能 延 长缸套 活塞环工作寿命 对于改善内燃机整机的工作性能都具有十分重大的意义 本文的研究是针对缸套 活塞环系统展开的 在摩擦学系统思想的指导下 采 用磨损条件 形式的模拟原则模拟高强化系数柴油机缸套 活塞环试验 采用实验室 自制的往复式摩擦磨损试验机在接触面压为9 3 m p a 转速1 0 0 r l m i n 工作温度 1 0 0 磨损时间为2 4 h 条件下 以喷钼活塞环为配对副 对四种缸套的摩擦磨损 行为进行分析研究 四种缸套材料分别为硼磷合金铸铁 硼磷合金铸铁 激光淬火 合金铸铁十等温淬火 铝镍合金铸铁 得到如下研究结论 合金铸铁 等温淬火的缸套综合耐磨性最好 钼镍合金铸铁缸套其次 激光淬 火缸套的磨损较小 但其对配对副的磨损最严重 传统的硼磷合金铸铁缸套的耐 磨性最差 同时分析四种缸套的磨损机理 研究的主要因素包括缸套的基体组织 硬质 相的含量及分布 石墨形态 珩磨参数以及激光淬火组织对缸套耐磨性的影响 合金铸铁 等温淬火缸套的基体组织为均匀贝氏体 少量残余奥氏体 硬质相均匀 分布在晶粒之间 没受到珩磨的影响 表面显微硬度较高 基体中石墨形态为菊 花状与片状的混合物 这些因素均有利于缸套耐磨性的提高 同时缸套耐磨性是 基体组织 硬质相 珩磨 石墨 硬度多种因素综合作用的结果 关键词 缸套 耐磨性 合金铸铁 磨损机理 表面淬火 英文摘要 a b s t r a c t t h ec y l i n d e rl i n e r p i s t o nr i n gs y s t e mi so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fi n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n e w h o s ep r o p e r t i e si n d i c a t e dt h er e l i a b i l i t yo fe n g i n e r e c e n t l yy e a r s t h ed e m a n d so fc y l i n d e rd i e s e le n g i n ew i t hh i g he n h a n c e m e n tf a c t o ri n c r e a s e dd u et o t h es p e e da n dd e t o n a t i o np r e s s u r er a i s e d a n dt h ea b r a s i v er e s i s t a n c eo fc y l i n d e r m a t e r i a l su n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r en e e dt ob ei m p r o v e d s o t os t u d yt h e f r i c t i o na n dw e a l o ft h ec y l i n d e rl i n e r p i s t o nr i n gs y s t e mi ss i g n i f i c a n ta n dm a yi m p r o v e t h ep r o p e r t i e sa n dl o n g e v i t yo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e i nt h i s s t u d y t h eo p e r a t i o n o fd i e s e l c y l i n d e rl i n e r p i s t o nr i n g 析t l lh i g h e n h a n c e m e n tf a c t o rh a sb e e ns i m u l a t e db yt h et r i b o l o g ys y s t e m sg u i d i n gi d e o l o g ya n d w e a l c o n d i t i o n s f o r ms i m u l a t i o np r i n c i p l e s f r i c t i o na n dw e a l b e h a v i o ro ft h ef o u r c y l i n d e r sp a i r e d w i t h p i s t o nr i n g s p r a y e dm o l y b d e n u m h a v eb e e na n a l y z e d e x p e r i m e n ti sc o n d u c t e db yh o m e m a d er e c i p r o c a t i n gf r i c t i o na n dw e a l t e s t e r i nt h e p a r a m e t e r so fc o n t a c ts u r f a c ep r e s s u r eo f9 3 m p a s p e e d10 0 r m i n w o r k i n gt e m p e r a t u r e i0 0 c a n dw e a l t i m e2 4h o u r s t h ef o u rc y l i n d e rm a t e r i a l sa r eb o r o n p h o s p h o r u sa l l o y c a s ti r o n b o r o n p h o s p h o r u sa l l o yc a s ti r o na f t e rl a s e rh a r d e n i n g a l l o yc a s ti r o na f t e r a u s t e m p e r i n g a n dm o l y b d e n u m n i c k e la l l o yc a s ti r o n t h ec o n c l u s i o ni ss h o wa sf o l l o w s i n t e g r a t e da b r a s i o nr e s i s t a n c eo fa l l o yc a s ti r o na f t e ra u s t e m p e r i n gp r e f o r m e db e s t t h e ni sm o l y b d e n u m n i c k e la l l o yc a s ti r o n t h et i l i r do n ei sb o r o n p h o s p h o r u sa l l o yc a s t i r o na f t e rl a s e rh a r d e n i n g i t sa b r a s i o nl o s si sl o w e rh o w e v e ri ta b r a d e dt h ec o u p l e d m a t e r i a lm o s ts e r i o u s l y a n dt h ei n t e g r a t e da b r a s i o nr e s i s t a n c eo ft r a d i t i o n a lc y l i n d e r m a t e r i a l s b o r o n p h o s p h o r u sa l l o yc a s ti r o np r e f o r m e dw o r s t w e a rm e c h a n i s mo ft h ef o u rc y l i n d e r sh a v eb e e na p p r o a c h e da l s o t h ea b r a s i o n r e s i s t a n c ef a c t o r si n c l u d i n gm a t r i x c o n t e n ta n dd i s t r i b u t i o no fh a r dp h a s e g r a p h i t e m o r p h o l o g y h o n i n gp a r a m e t e r sa n dt h eo r g a n i z a t i o no fl a s e rh a r d e n i n gh a v eb e e n s t u d i e d t h em a r xo fa l l o yc a s ti r o na f t e ra u s t e m p e r i n gi su n i f o r mb a i n i t ea n das m a l l a m o u n to fr e s i d u a la u s t e n i t e a n dh a r dp h a s ed i s t r i b u t e du n i f o r ma m o n gg r a i n sw h i c h h a dn o tb e e ne f f e c to fh o n i n g t h em i c r o h a r d n e s so fs u r f a c ei sh i g h a n dt h eg r a p h i t e 英文摘要 m o r p h o l o g yi nm a t r i xi sc h r y s a n t h e m u m s h a p e da n df l a k e t h e s ef a c t o r sa r ec o n d u c t i v e t ot h ei m p r o v e m e n ta b r a s i o nr e s i s t a n c eo fc y l i n d e r s ot h ea b r a s i o nr e s i s t a n c eo f c y l i n d e ri sam a t r i x h a r dp h a s e h o n i n g g r a p h i t e a n dt h eh a r d n e s sr e s u l to fm u l t i p l e f a c t o r s k e yw o r d c y l i n d e rl i n e r w e a rr e s i s t a n c e a l l o yc a s ti r o n w e a rm e c h a n i s m s u r f a c eh a r d e n i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 本论文是在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 撰写成博 硕士学位论文 直强丝丕麴苤迪扭缸套麈拯磨塑堑羞硒究 除论 文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在 文中以明确方式标明 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 函鲣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留 使用研究生学 位论文的规定 即 大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文 同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国学位论 文全文数据库 中国科学技术信息研究所 等数据库中 并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于 保密口在 年解密后适用本授权书 不保密d 请在以上方框内打 4 论文作者签名 瓣导师签名 缮芦 日期 如f d 年 7 月y 日 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 第一章绪论 1 1 研究背景 摩擦普遍存在于人类的生产和生活中 凡有运动的地方就有摩擦产生 摩擦 必然伴随着摩擦面的磨损 缸套 活塞环是内燃机中最主要的摩擦副之一 内燃机 运行故障中有相当一部分与活塞环的失效有关 其对内燃机工作性能 动力性 经济性以及稳定性等 和使用寿命有着举足轻重的影响 l 近年来 由于内燃机向 高速和爆压方向发展 因此对高强化系数柴油机缸套要求越来越苛刻 对其耐磨 性也提出了更高的要求 缸套 活塞环主要有密封 导向和散热三大功能 但其工作条件十分苛刻 经 常处于高温 高压及较大的冲击负荷下 极易产生摩擦磨损导致摩擦副失效 因 此深入研究内燃机缸套 活塞环摩擦磨损问题 可以提高缸套 活塞环的可靠性 延 长缸套 活塞环工作寿命 对于改善内燃机整机的工作性能都具有十分重大的意义 1 2 国内外研究现状 缸套与活塞环之间的磨损对内燃机的运行有着重要的影响 其磨损量决定着 内燃机的寿命 为了延长内燃机的寿命 学者们对此进行了大量的研究工作 从 对缸套 活塞环摩擦磨损研究的历史上来看 早期对其摩擦磨损的研究主要集中在 降低内燃机的摩擦功耗 改善摩擦副的润滑状态等方面 后来通过对摩擦力的测 量及分析发现贫油对摩擦力有着十分重要的影响 随着计算机技术的发展 学者 们开始应用计算机仿真来预测活塞环和缸套间的流体动压润滑和油膜厚度 建立 磨损模型 但要更加深入地研究活塞环 缸套系统的摩擦磨损性能 就需要从系统 的角度研究其摩擦 磨损 润滑等特性 1 2 1 缸套一活塞环摩擦研究 f a r o b a n o s 等发现润滑油的粘度对缸套 活塞环之间摩擦力有重要的影响 f u r u h a m a 等 2 于1 9 7 8 年研制出了可动缸测量摩擦力的装置 并测量了活塞环在整 个柴油机工作循环中的摩擦力变化 提出了摩擦力受混合润滑区域影响巨大的论 断 八十年代之i j 人们求解缸套 活塞环之间的润滑问题均是建立在绝对光滑表 绪论 面上的 后来通过大量关于缸套 活塞环摩擦力测量的研究 逐渐发现光滑表面的 假设不能够解释实验中观察到的上 下止点处出现的较大摩擦力的情况 由此人 们开始关注粗糙度对于缸套 活塞环摩擦磨损性能的影响 在摩擦副材料表面参数 对摩擦磨损性能影响研究方面h a r g r e a v e s 等 3 采用珩磨工艺对缸套内表面进行处 理 研究了不同的珩磨工艺参数对摩擦力的影响 指出珩磨加工角度为6 0 度时 缸套 活塞环之间的摩擦力最小 1 2 2 缸套一活塞环磨损研究 对缸套 活塞环磨损的研究开展较晚 2 0 世纪5 0 年代粘着理论提出后 在相 继研制出各种表面分析仪器的基础上 磨损研究才得以迅速开展 1 9 7 0 年 n e a l e 等f 4 针对发动机的拉缸问题进行了广泛的调查研究 提出了一些改善措施 并阐述 了活塞环 缸套可能的磨损机理 t i n g 等 5 采用理论与实验相结合的方法 提出了 基于a r c h a r d 磨损定律的磨损模型 解决了缸套 活塞环系统的推力面和次推力面 的磨损问题 在活塞行程的上止点附近由于润滑状态始终处于边界润滑状态 而在活塞的 行程中部以流体动压润滑为主 尤其以第一道气环最为严重 其在上止点位置承 受巨大的压力及高温的作用 很难形成连续润滑 同时在上止点处相对滑动速度 为零 则其摩擦系数为静摩擦系数 表现为较大的摩擦力及磨损量 n a u t i y a l 6 研 究了上止点附近的摩擦和磨损过程 给出了一个定量分析模型 并且将理论模型 与实验结果进行了对比 e y r e 7 1 s u d a r s h a n 8 1 等对缸套 活塞环的磨损特性进行了 分析和测量 研究了缸套的磨损过程以及润滑油对磨损性能的影响 h a n n o s c h o c k 9 1 结合润滑分析 提出了一个活塞环 缸套系统的磨损模型 其第一环的结果与发表 的实验数据相吻合 l a u s c h 1 0 j 分析了上止点附近的磨损情况 指出缸套磨损率 摩擦系数及磨损量均与气缸压力呈线性关系 在国内方面 桂长林等 i l 对缸套的 表面形貌进行设计 组合 从缸套的磨合 耐磨性 摩擦功耗等方面对缸套的耐 磨性能进行探讨 并给出优化的相关参数组合 孔凌嘉等 1 2 讨论了缸套 活塞环的 问题并将磨损与润滑放在一个模型中加以研究 同时考虑相互之间的耦合关系 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 1 2 3 缸套一活塞环润滑研究 缸套 活塞环这对摩擦副在运行时不断受到燃气压力 惯性力 侧向力以及摩 擦力的混合作用 其作用力大小 方向的不断变化 使得润滑油膜呈非均匀分布 同时由于温度的影响 使得其摩擦学的问题十分复杂 1 9 世纪末 英国蒸汽机车工程师t o w e r 发现流体动压润滑现象后 1 9 8 8 年 英国的r e y n o l d s 根据流体力学的基本理论 建立了流体动压润滑的基本方程式 随后大量学者都是基于求解雷诺方程展开对润滑理论的研究 在六十年代初期 英国里卡多公司率先进行有关流体动压效应的研究 用来改善缸套 活塞环的润滑 条件 1 3 w a k u r i 等 1 4 通过对缸套 活塞环间摩擦力的测量 提出活塞环在运动中会 出现贫油状况 而贫油对活塞环摩擦力有比较大的影响 r i c h e z 等 1 5 从理论及实 验两个方面对活塞环 缸套之间的摩擦力进行了测量和分析 并指出在低速和低粘 度下重复考虑混合润滑作用的重要性 p a t i r 和c h e n g 等 婚1 7 提出了平均流量模型 将表面粗糙度考虑到润滑模型中 在此基础上 r h o d e 等 1 8 1 9 采用平均流量模型以及微凸体接触模型 分析了动载荷 下活塞环的润滑问题 f t m a h a m a 等 2 0 在研究中把挤压效应考虑进来 就可以在整个循环的计算中进 行求解 1 9 7 9 年 d d o w s o n 等 2 1 在提出了单环润滑的计算方法后 又把对油膜厚度和 摩擦力的研究推广到环组 考虑环间的相互作用 引进了润滑油流动时的连续方 程 八十年代后 缸套 活塞环的润滑研究已扩展到了混合润滑区域 a r c o u m a n i s 2 2 h a r i g a y a 2 3 1 h a m a t a k et o s h i r o 2 4 t o s h i r oh a m a t a k e 2 5 1 h a r i g a y a y 2 6 1 f r o e l u n dk 2 7 1 e j a k 0 4 2 8 1 等人研究了润滑油粘性对油膜厚度和摩擦力的影响 张勇 2 9 1 等采用二维分析方法 在考虑活塞环润滑特性等多种因素的作用下 获得 缸套 活塞环摩擦副的压力和油膜厚度分布 v a n g 3 0 在考虑活塞环弹性条件下分析 了活塞环的二维润滑 刘煜 桂长林 3 l 等人考虑活塞环非均匀接触压力的分布状 况 利用二维平均流量模型和微凸体接触模型建立了非轴对称情况下的理论模型 得出沿气缸壁圆周压力和油膜厚度都不均匀的结论 绪论 此后国内外的学者根据活缸套 油膜 活塞环系统的运动特征 综合考虑表面粗 糙度 贫油 与充油入口供油边界条件及油膜出口的边界条件 提出缸套 活塞环 润滑状态的系统分析方法 建立了计算机程序软件系统 实现将活塞环的漏气 油膜厚度 瞬间摩擦力 润滑油流动及消耗机理等的系统耦合 提供了比较完整 地评价活塞环设计与工作情况更为合理的分析手段 3 2 1 1 2 4 缸套一活塞环摩擦学系统的研究 缸套 活塞环是一对典型的摩擦副 是内燃机中最重要的动力部件 对于缸套 与活塞环的磨损 既要考虑摩擦副中单个零件的耐磨性 更要考虑摩擦副的整体 性甜3 3 1 因此必须从系统的角度 采用系统分析方法 研究其磨损问题 1 9 7 4 年 荷兰的q s a l a m o n l 3 4 首先提出了摩擦学问题是一个系统的问题 1 9 7 7 年 联邦德国的c z i c h o s 3 5 基于j o s t 等关于摩擦学的定义研究了摩擦学系统的概念 c z i c h o s 认为摩擦学所研究的问题有较低级系统和较高级别系统 若干低级系统构 成高级系统 并从系统的结构和系统的功能两方面来描述摩擦学系统 国内在摩 擦学系统分析 特别是缸套 活塞环摩擦学系统分析方面有代表性的是西安交通大 学的谢友柏院士 谢友柏 3 6 指出 摩擦学设计是摩擦系统的设计 系统中的任何 因素都不能脱离系统而独立存在 最优的摩擦学设计应该是整个系统的最优设计 根据摩擦学的系统科学性质 谢友柏 3 7 1 提出了摩擦学的三个公理 l 摩擦学行为 是系统依赖的 2 摩擦学元素的特征是时间依赖的 3 摩擦学行为是多个学科 行为之间强耦合的结果 1 2 5 选题意义和本文研究的主要内容 活塞环 缸套是内燃机的关键零部件之一 其工作的好坏直接影响着内燃机的 性能 近年来 内燃机向高速和强化方向发展 使缸套的工作条件越来越苛刻 对其耐磨性也提出了更高的要求 由于缸套一活塞环在上 下止点之间作往复运动 速度反复大幅度变化 并且在工作循环中的进气 压缩 做功和排气行程中 缸 套压力变化很大 且在高温环境下运行 第一道气环常常处于临界润滑状态 整 个磨损过程极其复杂 随着摩擦磨损过程的进行 不仅金属材料发生变化 而且 在行程中每点的速度 温度 载荷也都在不断变化 过程难以模拟 试样试验方 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 法模拟上止点处缸套的磨损条件 但因其试验过程与实际工况有较大差别 很难 直接应用 因此深入研究内燃机缸套 活塞环摩擦磨损问题 更准确地进行预测和 设计 延长缸套活塞环工作的可靠性和寿命 对于提高内燃机整机的工作可靠性 和延长使用寿命都是具有十分重大的意义 本文的研究是针对缸套 活塞环系统展开的 试图在摩擦学系统思想的指导下 对如何选择磨损试验的模拟条件 采用何种模拟原则可使其试验结果具有更好的 模拟性进行了分析 并在确定的模拟条件下对缸套 活塞环摩擦磨损的行为进行分 析研究 本文以缸套 活塞环为研究对象 采用硼磷合金铸铁 硼磷合金铸铁 激光淬火 合金铸铁 等温淬火 钼镍合金铸铁等四种缸套 对其在实际使用中的摩擦磨损性 能进行试验和理论研究 论文的主要研究内容包括以下几个方面 1 针对活塞环一缸套摩擦磨损的特殊性和复杂性 研究试验方案 选定试验装 置 确定模拟条件 2 测试四种缸套 硼磷合金铸铁 硼磷合金铸铁 激光淬火 合金铸铁 等温 淬火 钼镍合金铸铁 的相对耐磨性 在选定的试验条件下对四种缸套进行磨损 试验 3 采用扫描电镜 s e m 观测磨损后试样表面形貌 轮廓曲线方法测量缸套 试样的线磨损量 对缸套的摩擦磨损行为进行分析研究 4 磨损机理分析 分析四种缸套的磨损机理 从缸套的基体组织 硬质相的 含量及分布 石墨形态 珩磨参数以及激光淬火组织等几个方面分析缸套 活塞环 的磨损机理 缸套一活塞环摩擦磨损及摩擦学系统分析 第二章缸套一活塞环摩擦磨损及摩擦学系统分析 2 1 磨损的基本理论 磨损是指相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损失的过程 摩擦副表 面相互运动时 由于机械或化学等作用使其发生材料的脱落现象 磨损现象复杂 涉及物理 化学 力学等多个学科 2 1 1 磨损的分类 由于磨损过程的复杂性 要了解磨损现象 研究磨损机制和磨损规律 必须 对磨损进行分类 人们对磨损机理的认识不同 对磨损的分类也存在着许多不同 的观点 目前仍没有完全统一的标准 比较通用的还是j t b u r w e l l 和c d s t r a n g e 提出的分类方法 按照磨损机理将材料的磨损划分四种类型 磨粒磨损 粘着磨 损 疲劳磨损和腐蚀磨损 3 8 1 磨粒磨损 在摩擦过程中 由于硬的颗粒或表面硬的凸起物引起材料从其表面分离出来 的现象 称为磨粒磨损 这些硬质点会破坏摩擦副间的润滑油膜 进而切削金属 偶件 周而复始的造成了严重的磨粒磨损 在工业领域中 磨粒磨损是最主要的一种磨损类型 磨粒磨损经常是多种磨 损机制综合作用的结果 而且随着磨损条件的变化 磨损机制可以从一种转化为 另一种 2 粘着磨损 两摩擦物体在法向力和切向力的联合作用下 由于表面不平 摩擦副互相接 触时 峰顶受到较大的压力 致使接触应力超过材料的流动强度 产生塑性变形 材料有可能转移到另一表面上 从而造成粘着或者结点焊合 产生金属与金属的 直接接触和塑性变形 从而经历粘着 剪切和再粘结的循环过程 此类磨损统称 为粘着磨损 粘着程度不同 造成的磨损也不同 软金属材料转移到硬金属表面 上而且转移层很薄 称为涂敷 剪切发生在较软金属的亚表层内 转移到硬金属 表面上的粘着物会刮伤软金属表面 使其出现划痕 此时磨损较大 称为擦伤 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 当粘着强度比两基体金属的强度大得多时 剪切发生在金属的较深处 此时表面 将沿滑动方向呈现明显的撕脱 出现严重磨损 称为胶合 更严重时摩擦副会咬 死 3 疲劳磨损 疲劳是指由重复作用的应力循环引起的一种特殊破坏形式 这种应力循环的 应力幅不超过材料的弹性极限 摩擦副表面相对滚动或者滑动时 周期性的载荷 使接触区产生较大的应力 同时产生塑性变形 在表面薄弱点处引起裂纹 逐渐 扩展 最后金属断裂剥落下来 这种磨损称为疲劳磨损 3 9 1 4 腐蚀磨损 在摩擦过程中 金属同时与周围介质发生化学或电化学反应所产生的磨损 称为腐蚀磨损 它是环境介质介入的一种磨损 由于介质的性质不同 介质作用 在摩擦面上的状态以及摩擦材料性能的不同 腐蚀磨损的状态也不同 可以认为 腐蚀磨损时材料的摩擦表面破坏是由于同时发生了两个过程 即腐蚀和机械磨损 机械磨损可能是由于两个相配合表面的滑动摩擦引起的 也可能是在气蚀和非气 蚀条件下因有硬颗粒介质流的作用缘故 而腐蚀则是由于材料与介质发生化学或 电化学的相互作用过程引起的 2 1 2 材料性质对其耐磨性的影响 材料的耐磨性通常是指在一定的工况条件下 摩擦副材料在摩擦过程中抵抗 磨损的能力 材料的耐磨性离不开工作条件 在不同的工况条件下有不同的耐磨 性 1 基体组织的影响 一般铸铁的基体组织有铁素体 珠光体 渗碳体 索氏体和磷共晶 合金铸 铁的基体还包括奥氏体 莱氏体 马氏体和特殊的碳化物 这些基体中 铁素体 质软 最不耐磨 自由渗碳体硬而脆 不仅有损于配对副表面 且本身也容易脱 落形成磨粒致使磨损增大 所以自由渗碳体含量应尽可能减少 珠光体实际上就 是软质的铁素体与硬脆的渗碳体的组合 是适用于作为耐磨材料的一种基体组织 珠光体的形状以片状为佳 硬而脆的磷共晶对耐磨性的影响较大 它在基体中起 缸套一活塞环摩擦磨损及摩擦学系统分析 着骨架作用 若是与基体结合牢固 对耐磨有利 如果与基体结合不牢固 则易 碎裂脱落而成为磨粒使得耐磨性降低 奥氏体具有较好的热稳定性 且在摩擦过 程中会产生加工硬化现象 具有强化作用 使得磨损减少 尤其在冲击载荷不大 的磨粒磨损中 其耐磨性比普通的灰铸铁高 此外合金铸铁基体中的莱氏体 马 氏体及特殊碳化物都具有高硬度 不易变形 经热处理后又有一定的韧性 这种 基体对抗磨粒磨损十分有利 2 石墨的形状 大小及分布 铸铁中的石墨对其4 铸铁的耐磨性影响较大 石墨在灰铸铁中以片状形式存 在 分a b c d e f 六种类型 见图2 1 a 片状 b 菊花状 c 块片 状 d 枝晶点状 e 枝晶片状 f 星状 其中a 型石墨呈均匀片状 无一定方 向分布 是灰铸铁中石墨的一种典型组织 具有这种石墨的灰铸铁有较好的力学 性能 b 型石墨呈花朵状不均匀分布 外围的石墨片较粗大 心部的石墨密集而细 小 这种灰铸铁的力学性能不如a 型石墨 其他各种类型的石墨由于分布不均匀 粗细不均匀 对力学性能影响较大 耐磨性降低 在铸铁中应尽量避免和限制其 数量 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 图214 1 墨分布形状圈 1 0 0 f i 9 21g r a p h i t es h a p e 1 0 0 x 缸套一活塞环摩擦磨损及摩擦学系统分析 3 化学成分的影响 铸铁中化学成分对耐磨性的影响是通过组织的改变而发生作用的 碳和硅都 是强烈促使石墨化元素 一定量的石墨对耐磨性有好处 但是过多碳含量促使石 墨数量增多而降低铸铁的力学性能 导致耐磨性下降 锰是阻碍石墨化的元素 当锰含量降低时 它主要作用是阻碍共析阶段石墨化 有利于获得珠光体基体铸 铁 锰还能与硫化物形成硫化锰 可以消除硫的有害影响 所以是一个有益元素 但锰含量过高易产生渗碳体 带来不利影响 硫是有害元素 其质量分数一般应 控制在o 1 5 以下 当灰口铸铁中磷的质量分数超过0 3 会出现f e 3 p 它常以 共晶的形式分布于铸铁组织的晶界上 铸铁中磷共晶形态为q f e f e a p 二元磷共晶 和q f e f e 3 p f e 3 c 三元磷共晶 磷共晶的性质硬而脆 如果它在铸铁中呈细小且 均匀的断续网状分布 形成坚硬的骨架 使铸铁具有良好的耐磨性 但是若磷共 晶含量过高 磷共晶呈粗大连续网状分布 则不仅使铸铁的强度降低 脆性增大 而且硬脆的磷共晶极易剥落 造成磨粒磨损 反而对铸铁耐磨性不利 因此高磷 铸铁中磷的质量分数一般控制在0 4 4 6 范围 为了进一步提高铸铁耐磨性 还可以在铸铁中加入其它适量的合金元素 如 镍 铬 铜 钛 钒 钨 钼 稀土等元素 以强化基体或形成特殊的碳化物 提高耐磨性 2 2 缸套的磨损 缸套与气缸盖 活塞 活塞环组成了内燃机的燃烧室 主要起密封 导向和 散热作用 它与活塞 活塞环共同在高温 高压 高负荷以及润滑困难等极其恶 劣的条件下工作 其磨损的主要形式有磨料磨损 粘着磨损及腐蚀磨损三种主要 形式的磨损h 0 4 1 1 2 2 1 影响缸套磨损的因素 缸套的磨损主要取决于润滑状态 即油膜厚度 由理论计算和实测结果得知 在活塞环上止点附近油膜厚度最薄 摩擦副得不到充分润滑 所以磨损最大 除 此之外 缸套的磨损还受到发动机结构型式 运转条件 气缸套材料 滑动面加 工方法 润滑油和燃料品种等的影响 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 2 2 2 缸套异常磨损的常见部位及原因 正常情况下缸套的磨损在第一道环所对应的上止点处最大 这是因为上止点 处活塞环运动速度为零 活塞环对缸壁的压力最大 油膜较薄或处于不完全边界 润滑状态 腐蚀和磨粒作用也会改变沿轴向的磨损规律 各种情况的磨损曲线如 图2 2 所示 由图可见 活塞环没有接触的上口几乎没有磨损 而缸套最大的磨损 部位是活塞环在上止点附近位置时第一道环所对应的缸壁 缸套沿圆周径向的磨 损也不均匀 各个方向的磨损量往往相差3 5 倍 4 2 1 0o 10 20 30 4 磨损量 n a n 一二习p 2 t 夕 1 j 乏 i 3 上止点 此处磨损量最大 对 应最大爆发压力 0o 1o 20 30 4 异常磨损曲线正常磨损曲线 1 低温腐蚀2 进气中有磨粒 3 泪滑油中有磨粒 图2 2 缸套异常磨损位置 f i g 2 2w e a rc u g v co fc y l i n d e r s 2 3 活塞环的磨损 影响活塞环磨损的原因很多 主要有 活塞环的润滑状态 燃料和润滑油的 种类 性能等 燃烧不良 积碳增加 发动机的结构型式 增压度 运转条件等 活塞环的材料 形状 表面处理 气缸套的材料 表面加工方法 活塞环的表面 压力不适当 过大或过小及活塞环开口间隙过小 环槽中上 下间隙不适当 环 在环槽中发生振动 可以说 活塞环的磨损在很大程度上取决于润滑状态 理想 的环面间润滑为两滑动面间有一层均匀的油膜 然而这种情况事实上并不存在 特别是第一道气环 由于受高温的影响 很难建立起较理想的润滑状态 蜮 寸嗽 彳 缸套一活塞环摩擦磨损及摩擦学系统分析 2 4 缸套一活塞环摩擦学系统分析 内燃机中的摩擦学问题非常复杂 包含多个不同运动状态的摩擦副 同时每 个摩擦副的摩擦学问题都涉及到力学 物理 化学等科学 随着内燃机工作状态 的变化 各个摩擦副的摩擦学状态变化引起整机的摩擦学状态变化 因此具有极 强的系统依赖性 4 3 1 系统研究首先把事物的某个特定部分从总体中分离出来单独研究 深入到事 物的内部 同时在这个阶段中 对于所研究的特定部分也涉及它的全局特点 即 它的组成 各组成之间的关系 行为 过程及结构 以及外界的影响等 这种把 事物愈分愈细的研究方法 发展到一定程度之后 就要求将研究对象的级别逐步 提高 发展到大系统 同时 还要求在时间上从它们的历史 当前状态和未来预 测上作连贯的研究以代替停止在某一时刻上的静止的研究 摩擦学的研究同样需 要分解研究和系统研究的结合 摩擦学系统的研究内容包括三个方面 系统的结构 系统的元素及各个元素 之间的关系 本文首先分析柴油机缸套 活塞环摩擦学系统的结构和特征 然后分 析系统元素及其之间的关系 2 4 1 缸套一活塞环摩擦学系统的结构和特征 摩擦体系的结构由组成元素间的关系所决定 按照控制论的观点 系统的输 入输出大致可分为3 类 材料或物质 能量 和信息 材料是组成物理系 统 工程系统 当然也包括摩擦系统的基础 有4 种基本相态存在 固体 液体 气体和等离子态 信息是物质 能量的各种状态 组分和位置之间关系的度量 信息存在的形式有模拟式或数字式 能量是物质运动的度量 没有物质就没有运 动 因此能量的传递和转换过程中必然伴随物质状态的变化 摩擦磨损过程涉及 到的能量形式有机械能 热能 电能 磁能等 4 们 柴油机缸套活塞环系统可简化为图2 3 4 5 所示的结构 这个系统存在以下五个 方面特征 1 配副性 缸套 活塞环的磨损不仅仅是缸套或活塞环材料本身的耐磨性 同 时也取决于其配对特性 忽略摩擦副的配对性是工业应用上常见选材错误的重要 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 原因之一 2 驱动特性 不同的工况条件参数组合对缸套 活塞环的磨损会有不同的影响 甚至使磨损从一种形式转变为另一种形式 形成对磨损的驱动作用 3 反馈特性 磨损的产物和磨损后表面状态的变化反馈到缸套 活塞环的磨损 状态 从而改变原来的磨损规律 4 时变特性 摩擦过程中系统结构元素 缸套 活塞环 润滑剂和燃气 性能 在不断改变 导致结构元素相互作用特性不断变化 继而导致系统输出量不断变 化 同时输出的变化还会反馈作用到输入和结构元素相互作用及工作条件的变化 因此 结构元素的相互作用 表层变化及表面破坏始终是动态过程 产生的是动 特性 5 转型特性 真实缸套 活塞环的表面是不光滑的 当这样的两个表面相互接 触时 表面上只有极少数的微凸体顶部发生接触 表面层吸附氧化膜的变化 表 面破坏也就在这些离散的接触点上 由于同一摩擦表面上的各摩擦接触点所受机 械相互作用 分子相互作用以及中间介质的相互作用各不相同 因此其破坏形式 不同 故而同一表面同时出现多种破坏形式 定然会有某种破坏形式占优势 起 主导作用 摩擦接点的破坏形式决定了摩擦表面的磨损形式 摩擦过程中摩擦副 产生何种主导磨损形式取决于工作参数和结构元素性能的组合 而它们的任何变 化都可能改变主导磨损形式 即从一种磨损形式转变为另一种磨损形式 产生磨 损转移效应 转型包括由载荷变化引起的转型效应 由速度变化引起的转型效应 由结构元素变化 润滑 磨粒的加入等 引起的转型效应 缸套一活塞环摩擦磨损及摩擦学系统分析 符号表 r 1 纛髓 鼍 i 一奠芳 专 竺 佑毫囊 摩鼍争 图2 3 缸套一环组一活塞系统的系统框图 f i g 2 3b l o c kd i a g r a mo fap i s t o n r i n gg r o u pc y l i n d e rl i n e rs y s t e m 2 4 2 缸套一活塞环摩擦学系统组元及其相互间作用 摩擦系统的元素是组成该系统的物质方面 包括相互运动的两个固体 有时为 一个 两个固体间的介质及其所处的环境 各个元素之间的相互作用和过程是十 分复杂的 它们之间可以引起功 热 材料由一个元素转移到另一个元素 2 5 缸套一活塞环磨损试验方法 针对柴油机整机及零部件的应用研究 主要包含以下四种试验方法 使用试 验 装机试验 台架试验 零部件试验 试样试验 各种试验方法的优缺点见表 2 1 蛔 由上述可见 台架试验成本过高 不易控制单个参数 以及干扰因素多等缺 点 而试样试验在模拟接触状态和表面参数方面存在着较大的难度 如何选择和 实现模拟条件 采用什么样的模拟原则才能模拟实际摩擦学系统 使其试验结果 具有更好的模拟性 一直是磨损理论和试验技术的难题 而零部件试验具有试样 试验和台架试验的双重优点 即试样易获得 工况易控制 与原型的模拟性好 试验费用低等 因开发新型缸套一活塞环零部件摩擦磨损试验机可以大大提高新型 柴油机的开发效率 节约开发成本 对内燃机行业的发展具有重要的意义 本文 采用试样试验方法研究缸套的耐磨性 因为试样试验具有几何形状简单 试验参 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 数易控制 试验结果重现性好 精度高 试验费用低廉等优点 是研究缸套活塞 环摩擦磨损性能普遍采用的一种试验方法 表2 1 各种实验方法的优缺点 t a b 2 1a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i e se x p e r i m e n tm e t h o d s 分类试样试验台结果特性优点缺点备注 试样 代表 周期短 条件过于 广泛用 一般 性部 各试样的相 条件易控 理想化 于选材 性试 位制通用试验机 对耐磨性 制 数据 与实际相 及表面 成取重复性可处理工 验差甚远 样比性好 艺等 试件试样 实物 同上且代 近似工况目前国 磨损模拟 代表在专用设备 各试样的相表部分工 条件 但内应用 试试验性试 性部上强化模拟 对耐磨性况简单易 不甚相符较多 样验 位取部分工况 行 试 样 国外有 验 零部在专用设备 更接近工 更加接近但没有件模整件上以集中强各零件的相 况 周期 实际工况相关报拟性实物化手段模拟对耐磨性 短 试验部分工况导 发动 周期长 国外应 机台 模拟 整件直接评价试 设备复杂用较广 架试 性试 实物 发动机台架 件性能 接近工况 成本高技国内有 验 验术性强但不多 在使用条 周期长费 整用高数据 件下进 分散 再机对比试验与 整件 发动机 在实际使用行 数据 现性 可使寿命试验 耐 实物中评价 可靠且真 用久试验 比性差 试 实 方法 影响囚素 易于实现 验复杂 缸套一活塞环摩擦磨损及摩擦学系统分析 2 6 缸套一活塞环模拟实验的模拟准则 对于缸套 活塞环摩擦学系统而言 缸套 活塞环模拟实验主要是指磨损试验系 统与内燃机中缸套 活塞环原型之间在整体上包括摩擦学过程 环境等方面的相似 程度 因此 如何选择试样磨损试验的模拟条件 采用什么样模拟原则才能模拟 约定实际工程系统 使其试验结果具有更好的模拟性 一直是磨损理论和试验技 术的一项艰巨任务 到目前为止 缸套 活塞环模拟试验中采用的模拟准则有 磨 损条件原则即试样试验的条件与模拟的机器零件的实际使用条件一致或相似 磨 损形式原则即试样的磨损形式与模拟的机器零件的磨损形式一致 磨损形式 条件 原则即同时模拟磨损条件及磨损失效形式 并通过调节其它变量获得所需要的磨 损形式 4 7 4 9 缸套 活塞环试样磨损摩擦学系统 因其结构简单 只有缸套试样 活塞环试 样 润滑油及传动系统 所以摩擦学系统边界选择较小的范围 把缸套活塞环试 样磨损试验摩擦学系统与实机试验系统相对照 进行合理的简化 从而得到两系 统的关键模拟条件 试验采用的缸套 活塞环与内燃机中实际使用的材料相同 表面状态相同 接触状态相同 润滑油相同 温度相同运动形式相同 往复 载荷 强化 润 滑状态相同 边界润滑 本试验模拟准则的确定 根据磨损形式一条件模拟原则 首先保证边界磨损 以模拟上死点附近的磨损形式 在此前提下 根据确定的模拟条件 所示的模拟 准则 设计磨损试验 可以达到简化磨损试验方案 缩短试验时间 提高试验的 模拟性等目的 2 7 本章小结 本章首先阐述了缸套 活塞环的磨损类型 及其主要的磨损因素 同时介绍了 缸套 活塞环摩擦学系统分析方法的研究背景 分析了缸套 活塞环摩擦学系统的结 构 特征和各元素之间的关系 最后确定了本项目所限定的摩擦学系统范围及其 模拟整机系统的必要条件 最后选定磨损条件 形式的模拟原则设计磨损试验 高强化系数柴油机缸套摩擦磨损 第三章缸套 活塞环组织成分及表面参数测定 本章主要从缸套 活塞环组织成分 缸套中硬质相含量和分布 石墨状态及 表面珩磨等方面分析缸套及活塞环在磨损前的状态 为分析磨损机理提供依据 3 1 缸套材质及其表面几何参数 本文选取的四种缸套材料及其热处理方法见表3 1 表3 1 缸套材料及其热处理方法 t a b 3 1c y l i n d e rl i n e rm a t e r i a la n dh e a tt r e a t m e n tm e t h o d s 编号缸套材料及热处理方法 a 硼磷合金铸铁 b 硼磷合金铸铁 激光淬火 c合金铸铁 等温淬火 d 钼镍合金铸铁 3 1 1 缸套化学成分 采用能谱定性分析 结合化学分析法定量测定缸套的化学成分 其含量见表 3 2 可以看出a b 为同一种缸套 但与缸套b 相比 a 缸套中碳含量低o 4 4 硅含量低0 3 4 硼元素仅为b 缸套的5 5 硫的含量较高 c 缸套中几乎不含 硼元素 但含有少量m o c u 元素 d 缸套中无硼元素 含有较高的m o c u n i 表3 2 缸套的化学成分 t a b 3 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fe y l i n d e rl i n e r cs i m n psbc rm 0c u n iz n 试样编号 f f 7 a3 0 02 3 60 7 50 1 6 90 0 5 20 0 4 9o 3 3 b3 4 4 2 7 0o 8 5o 2 80 0 1 50 0 8 90 3 5 c2 9 0 2 5 80 7 l0 1 1 30 0 6 6 o 0 0 50 3 7o 4 10 5 6 d2 5 5 2 5 8o 6 70 0 9 5 0 0 2 7 7 0 分布均匀 但石墨长度较大 c 缸套石墨尺寸约