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原文传递摩擦诱导金属耐磨层的制备及摩擦学性能研究

论文题名：	摩擦诱导金属耐磨层的制备及摩擦学性能研究
关键词：	船用柴油机;金属耐磨层;纳米金属颗粒;润滑摩擦性能;铸铁缸套
摘要：	柴油机在船舶动力中一直占据主导地位。近些年来，船用柴油机单缸及单机功率不断升高，使其强化程度进一步提升。气缸套-活塞环作为柴油机中最重要也是工况最恶劣的摩擦副之一，受到的机械负荷及热负荷也随之增加，导致气缸套磨损问题凸显，影响了柴油机的使用寿命。所以，改善气缸套的摩擦磨损性能至关重要。船用缸套通常采用铸铁材料，表面改性是提高铸铁缸套摩擦磨损性能的重要手段之一。　　对于现阶段铸铁缸套的表面处理工艺停留在制造阶段，加工过程中会造成成本升高、环境污染等问题。本文设想将纳米金属粉末以润滑油为介质，在气缸套-活塞环正常工作条件下，快速度过磨合期的同时在摩擦副表面形成一层耐磨层，减少摩擦功耗和摩擦副的磨损。以铸铁缸套为研究对象，结合现有对纳米金属颗粒润滑油添加剂的研究，利用纳米金属材料自身对摩擦副表面修补和成膜的特性，提出一种新型的表面改性技术。通过摩擦副之间的摩擦力和热的相互作用，将纳米Ni颗粒经润滑油输运到摩擦副界面，将硬度较大的金属颗粒通过往复碾压的方式在铸铁缸套表面制备了一层自适应耐磨涂层。通过正交试验确定制备耐磨层的最佳试验参数。大载荷摩擦磨损试验，得到该耐磨层可以更加有效地减少摩擦力和材料的磨损。本文提出在铸铁缸套上制备耐磨层的新方法，揭示了制备的耐磨层减摩耐磨的机制，该方法在铸铁缸套的摩擦磨损性能研究及材料表面改性领域有重要意义。取得主要成果如下：　　（1）将纳米Ni金属颗粒经润滑油输运到摩擦副界面，在摩擦副间往复碾压，通过摩擦副之间的摩擦力和热的相互作用，可以在铸铁缸套表面形成一层致密均匀的耐磨层。通过正交试验确定最佳制备耐磨层的工况为：载荷200N、温度150℃和转速150r/min。　　（2）基础油为润滑介质时，在最佳工况下采用三种不同制备时间（0.5h、1h、1.5h），得到不同Ni元素含量的耐磨层。采用不同制备时间得到的耐磨层有着不同的减摩耐磨性能。在铸铁缸套耐磨性能方面，不同的耐磨层都优于表面未处理铸铁缸套。并且磨痕表面缺陷及凹坑明显减少。在铸铁缸套减摩性能方面，制备0.5h和1h耐磨层的铸铁缸套摩擦系数小于表面未处理的铸铁缸套，表面未处理的铸铁缸套和制备1.5h耐磨层的铸铁缸套摩擦系数相近。所以，从减摩角度出发，耐磨层制备时间：1h＞0.5h＞1.5h。从耐磨角度出发，耐磨层制备时间：1h＝0.5h＞1.5h。最终得到了基础油为润滑介质制备的耐磨层最佳制备时间为1h，相比于表面未处理的铸铁缸套，减摩效果高达50%。　　使用三维共聚焦和扫描电子显微镜对形成的耐磨层进行分析，发现制备1h耐磨层表面致密性高且光滑平整。耐磨层的XRD结果表明，铸铁表面可能出现了晶格位错，增加了制备耐磨层的铸铁缸套表面硬度。　　（3）成品油CF-4+10W-40为润滑介质在铸铁缸套上制备1h耐磨层，在成品油润滑条件下，相比于表面未处理的铸铁缸套可以减摩26%。在耐磨性能上，可以显著的减少铸铁缸套的磨损量，有效的保护铸铁基体。　　（4）将纳米Ni颗粒分别与高硬度纳米Cr、Mo颗粒和低硬度纳米Cu颗粒进行复配，纳米Cr、Mo颗粒硬度较高，铸铁缸套磨损严重。将纳米Ni与硬度较小的纳米Cu颗粒进行复配，随着纳米Cu颗粒添加量的增加，制备的耐磨层摩擦系数随之增加。在铸铁缸套耐磨性能方面，纳米Ni颗粒与少量纳米Cu颗粒复配后制备的耐磨层，显著的提升了耐磨层的耐磨性能，铸铁缸套的磨损深度最多减少40%。
作者：	王子淳
专业：	轮机工程
导师：	徐久军;黄若轩
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021