柴油机缸套抗高温摩擦磨损技术研究- .pdf

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1、柴油机缸套抗高温摩擦磨损技术研究术装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室(北京100072)张平曾庆强蔡志海赵军军李奇【摘要】誓钎对大功率密度柴油机缸套磨损失效问题，研究了激光网格化淬火与低温离子渗硫复合表处理技术，对该技制备的激光淬火渗硫复合层高温摩擦学性能进行了研究。结果表明：该复合层由激光硬化带和渗硫层组成具有良好的。抗高温摩擦磨损性能。台架试验发现：该技术改善了缸套／活．塞环之间的润滑效果，减少了发动机刚启动时机油润滑不良导致的异常磨损和运行时的高温粘着磨损，延长了发动机使用考c。j

2、

3、。，一

4、发动机是各种机械的动力之源，其寿命在很大程度表

5、142MnCr52钢化学成分(质量分数)(％)上取决于缸套与活塞环的磨损程度。由于缸套长期在高CMnSP，Si温、高负荷、化学腐蚀和边界润滑条件下工作，极易磨0．4491．17O．0140．0150．254损，特别是发动机刚启动时，可能出现机油润滑不良而CrNiC11MoFe导致的异常磨损，工作过程中，容易出现内源磨粒磨损0．4310．0570．1390．O12余量和局部摩擦过热造成的“拉毛”、“拉缸”等现象，成为制约发动机使用寿命的瓶颈。原处理工艺为中频淬火，经机械加工成直径25．4ram、激光相变硬化技术和低温离子渗硫技术是近年来厚度6mm的圆盘状试样

6、。为便于比较两种表面处理工艺及其复合运用的效果，对部分试样分别进行了激光淬已研究成熟并在工业领域逐步推广应用的表面改性技术。激光相变硬化技术可在工件表面生成组织小的硬火、离子渗硫和激光淬火一离子渗硫等表面处理。激光淬化层，硬度高于普通淬火20％～200％，并获得良好的火采用YAG固体激光器，激光波长为1．061xm，功率为压应力状态，能够显著提高工件的耐磨性能和抗疲劳400W，离焦量为2ram，扫描速度为40mm／s。为保证激性能。低温离子渗硫技术可在工件表面生成疏松多孔光吸收率，预处理采用常温快速磷化液刷试样表面，利的渗硫层(以FeS相为主)，具有剪切强

7、度低、熔点用数控系统控制光斑轨迹，得到夹角为45。的交叉激光高、自润滑性能好等特点，有助于提高工件的减摩、淬火网纹轨迹，硬化面积占总面积的75％～92％，硬化耐磨和抗咬合性能。结合这两种技术的优势，本文对层厚度100～2001xm。渗硫处理在低温离子渗硫炉中进某发动机缸套材料42MnCr52钢进行了激光网格化淬火行，反应气体为固体升华后的硫蒸气，试样接阴极，炉和低温离子渗硫复合处理，在其表面制备激光淬火一渗壁接阳极，工作电流为1～30A，工作电压为300～硫复合层，对该复合层摩擦学性能进行了研究，并进800V，真空度为30～100Pa，工作温度为160～3

8、00~C，行了台架试验验证。保温时间为2～4h，渗硫层深度为5—25m。一采用GENESIS型能谱仪(EDS)和PH1-5702型多、试验方法功能x射线光电子能谱仪(XPS)，对表面层的成分与试验材料选用42MnCr52钢，成分如表1所示，其相结构进行分析。采用HR150型洛氏硬度计测量了试样围家自然科学基金资助项目(50901089)。的宏观硬度。采用NanotestPlatform型多功能纳米测试参磊工。热加工垫’塑箜堂兰!!生笙!塑■笛■WWWmeta1working7950coml蓄銎圈遵整里．删。。仪测量了表面渗硫层的硬度。摩擦磨损试验在T11高

9、温复合层中主要以润滑同体FeS相存孑F。摩擦磨损实验机上进行，对磨件为66．35iYlnl的GCrl5钢球，硬度为770HV，采用油润滑方式，施加载荷分别为40N／60N，转速为0．2m／s，试验时间为40rain，试验温度为200~C。摩擦力矩由系统自动采集，经换算I『得摩擦冈数。磨损量由电子显微天平测得，所有试验数据均为3个相同条件下测量值的平均值：采Quanta200扫描电镜(SEM)对试样的磨损表面形貌进行了观察分析。二、试验结果与分析1．成分与相结构分析如图1a所示，激光淬火试样的主要成分为Fe、O、图2复合层中硫元素的XPS分谱分析Mn、Cr，

10、与原处理试样相比较没有发生变化，而经过渗2．硬度硫处理后，试样表面含有一定量的硫元素，如图】b所图3为原处理、渗硫、激光淬火和激光淬火一渗硫复不、合处理试样的宏观硬度分析比较。可以看出，原处理试样的硬度为62HRA，激光淬火后硬度提高到76HRA，说明激光淬火显著提高了试样硬度。试样经渗硫处理后，其表面生成了以FeS相为主的渗硫层，宏观硬度略有下降。8O75(a)激光淬火7o趟656055原处理渗硫激光淬火激光渗硫图3硬度分析使用多功能纳米测试仪测定了表面渗硫层的硬度，(b)激光淬火一渗硫图4所示为其载荷一深度曲线，使用载荷最大值为2．0raN。根据公式／

11、／=尸／式巾尸为最大载衙图l试佯能谱分析图2为激光淬火一渗硫复合层