内燃机与配件
0引言
现在发动机设计面临两个主要问题，
叶片锁
一是尾气排放要求越来越严，二是燃油的利用率更高，而活塞环和缸套系统是发动机内非常重要的部件，它是发动机内一半摩擦损失的来源，并且影响窜气，及油耗增加等。因此，活塞环与缸套系统的摩擦性能研究显得至关重要，只有弄清了系统的摩擦磨损关系，才能进行下一步的的摩擦磨损损失，润滑油损失，燃油消耗等的研究。2012年马勒公司试验了在第一道环上镀上DLC 比传统的标准氮化不锈钢环，能量节省5-10%。燃油损失减少0.5%。[1]
2008年，Ford Otomotiv Sanayi A.S.研究了缸套材料为蠕墨铸铁摩擦行为[2]。2008年，MAHLE —Brazil Tech Center 对不同缸套表面处理进行了摩擦磨损实验[3]，吴立来对贫油和富油状态下的摩擦学
特性进行了研究[4]，
刘伟达等对载荷、转速以及润滑状态下的系统摩擦性能进行了研究[5-7]，罗永前等从力矩方面研究了系统的摩擦磨损特性[8-9]。 本文选择基体为钢质表面镀DLC 镀层的活塞环作为研究对象；考察不同材质的气缸套样品，在不同载荷、不同转速的情况下，对摩擦性能的影响。 1试验
1.1试验材料
本试验中采用的试块为从离心浇铸的缸套上截取的样块，分别为硼铜灰铸铁（MS1），中磷灰铸铁（MS2），钼镍铜灰铸铁（MS3），钼镍铜贝氏体灰铸铁（MS4）。其主要化学成分（质量分数）如表1，其它成分为常规灰铸铁成分。
表1试块主要化学成分
ω（%）
材料代号
B
电热丝打火机
P Mo
Ni
Cu MS1MS2MS3MS4
0.025-0.035
0.2-0.4
0.1-0.40.5-1.0
蜂窝煤采暖炉0.4-0.80.6-1.2
1.0-
2.0
缸套的原始组织和硬度见表2。活塞环为带类金刚石涂层（DLC ）的钢质材料环，涂层厚度为2μm 。
1.2样品制备
缸套试块加工成长43mm ，宽20mm ，厚5mm 的长方
形样块，四种材质表面粗糙度Ra 为0.2-0.5μm ；活塞环选
择直径为105mm 的油环，并喷涂有类金刚石涂层（DLC ），涂层厚度为2μm ，截成宽度8mm 试样。实验前所有样块和试块均用超声波清洗机清洗，酒精洗净吹干待用。
1.3实验设备
所用设备采用摩擦磨损试验机（型号UMT-3.美国布鲁克公司生产），润滑油使用SEA30型号。设备满足以下条件：模拟发动机活塞往复运动，润滑油温度可调、可控，往复运动频率可调、可控。
1.4试验方法
采用ASTM G181试验方法进行试验，将缸套试块和活塞试环安装在试验设备上，磨合期试验冲程10mm ，频率10Hz ，样品接触方式为非共形接触，润滑方法为完全浸没，试验温度120℃，试验力为50N 和100N 。每组试验按磨合3次，试验1次进行，每种材质做三组实验，取三组实验的平均摩擦系数。 2结果与讨论
2.1载荷对摩擦系数的影响
试验按照试验方法，在同一转速下分别用载荷50N ，100N 下进行试验，
试验表明除了材质MS2以外，其他三种材质均表现为在同一转速下载荷越大，其摩擦系数越小。MS2材质在转速较低时载荷50N 时的摩擦系数要高于载荷100N ，当转速逐渐增大时，结果则相反。由于MS2材质中含有较高含量磷的缘故，磷在铸铁中形成磷共晶，均匀的磷共晶可以起到减磨的作用。见图1。
cmmb移动电视图1载荷转速对摩擦系数的影响
真空加热炉图1所示，
在低载荷50N 时，不同材质摩擦系数差别——————————————————————
—作者简介：郭进京（1972-），男，工程师，主要从事金属材料的研究。
桥架接头DLC 薄膜涂层活塞环与不同材质灰铸铁
气缸套摩擦性能的研究
郭进京；姜玉领；杨为民；贺亚飞
（中原内配集团股份有限公司，
孟州454750）摘要：在往复式摩擦磨损试验机上，以不同材质缸套样品，在温度120℃，富油状态下，考察钢质镀DLC 活塞环，在不同的载荷、转
速条件下的摩擦特性。实验表明，在低载荷下（50N ），摩擦与缸套材质有关；在高载荷下（100N ）摩擦与润滑介质有关，与缸套材质关系
不大；转速增大，同一材质的组成摩擦副的摩擦系数呈逐渐减少的趋势。
关键词：缸套；活塞环；摩擦系数；DLC 薄膜；载荷；转速
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Interna l Combustion Engine&Parts
较大，材质MS1、MS3、MS4当转速逐渐增大时（达到0.16m/min）三种材质基本趋向于相同，但材质MS2除外。在载荷100N时，无论转速大小四种材质摩擦系数基本一致，变化不大。
在载荷较低时摩擦系数与材质关系较大，摩擦系数从高到低的顺序为材质MS3、MS1、MS4、MS2，此时的摩擦既有润滑介质的摩擦又有对磨材料（缸套试样和活塞环试样）之间的摩擦；当载荷达到一定值时与材质关系不大，此时摩擦主要是润滑介质的摩擦，与对磨材料关系不大。
2.2速度对摩擦系数的影响
按照实验方法，在同一载荷下使用DLC环样，分别与不同材质的缸套试样在润滑状态下进行试验，试验结果见图1，从图1中可以看出不论在低载荷下还是在高载荷下随着转速的增大摩擦系数都是逐渐变小的，对于不同的材质在低载荷同一转速下（小于0.16m/min）摩擦系数的变化从高到低的顺序为材
质MS3、MS1、MS4、MS2，当转速为0.16m/min时，除了材质MS2低于其他三种材质外，其他三种材质基本一致，这与材质中含有磷共晶，磷共晶本身起到减磨的作用有关。对于高载荷同一转速下四种材质摩擦系数基本一致，这说明高载荷下，摩擦系数与材质无关，只与转速有关，转速越大，其摩擦力越小，当然其摩擦系数也越小。
2.3金相组织对摩擦系数的影响
由图1可以看出，在低载荷同一转速下，使用DLC环与不同材质的样品在润滑条件下实验，结果表明含有磷共晶的材质MS2的摩擦系数最小，其次是贝氏体材质的MS4和含有含硼复合物和碳化物的材质MS1，不含硬质相的珠光体材质的MS3摩擦系数最大。材质MS2由于含有磷共晶，而磷共晶具有一定的硬度，同时具有一定的减磨作用；材质MS1含有含硼碳化物和复合物，也具有一定的硬度；材质MS4虽没有硬质相，但其基体贝氏体硬度偏高；材质MS3既没有硬度高的硬质相存在，其基体珠光体硬度也不高。因此会出现以上的现象。
但在高载荷同一转速下，使用DLC环与不同材质的样品在润滑条件下试验，结果表明与材质的组织关系不明显，当正压力达到一定的值后，摩擦主要是润滑介质的摩擦，而非DLC环与缸套材料之间的摩擦。实验只进行到100N，再往上加力没有进行。
2.4化学成分（材质）对摩擦系数的影响
图2为不同材质对摩擦系数的影响，在低载荷时是有明显的影响的，主要表现在硼、磷等元素上，含磷材质MS2的摩擦系数最低，而不含硼和微量磷的材质MS3摩擦系数最大，不含硼和含微量磷的材质MS4由于基体组织表现为贝氏体，其摩擦系数低于材质MS3，与MS1相当
。但在高载荷下，几种材质摩擦系数基本一致。
图2不同材质对摩擦系数的影响
3结论
①在低载荷时，摩擦是由摩擦副和润滑介质共同作用的结果，在高载荷时摩擦主要由润滑介质作用的结果。但在低载荷高转速的情况下（0.16m/min）摩擦主要是由润滑介质作用的结果。②在试验条件下，同一种材质随着转速的增加，其摩擦系数是逐渐减小的；对于不同材质，在低载荷下，相同转速的不同材质是有区别的，但在高载荷下相同转速的不同材质区别不大。③在试验条件下，不同的化学成分（材质），导致的内在金相组织不一样，在低载荷时，材料的金相组织（化学成分），影响材料的摩擦性能，含有磷共晶的材质MS2，摩擦系数最小，其次是贝氏体基体的钼镍铜材质MS4和含有含硼碳化物和含硼复合物的材质MS1，最小的为基体为珠光体的钼镍铜材质的MS3。在高载荷相同条件下材料的金相组织（化学成分），基本不影响摩擦性能。
参考文献：
[1]Juliano araujo,Robertr banfield.DLC as a low friction coating for engine component,2012.36-0255.
[2]Omer Rustu Ergen,Goktan Kurnaz and Nedim Gungor Soydemir，Reduced Oil Consumption by Laser Surface Texturing on Cylinders，SAE,Ford Otomotiv Sanayi A.S.，2008.
[3]Eduardo Tomanik,Friction and wear bench tests of different engine liner surface finishes,MAHLE—Brazil Tech Center, Tribology International41(2008):1032-1038.
[4]吴立来.活塞环-缸套摩擦磨损研究[J].内燃机与配件，2014，4：32-35.
[5]刘伟达.内燃机活塞环-缸套摩擦磨损过程性能研究[J].柴油机设计与制造，2006，14（4）：25-28.
[6]陈建宏，陈贵清.内燃机活塞环-缸套摩擦磨损性能的实验研究[J].安阳工学院学报，2016，14（4）：9-11.
[7]王平.内燃机活塞环-缸套摩擦系统的磨损研究[D].上海交通大学，2008.
[8]罗永前.气缸套-活塞环磨合过程摩擦磨损特性分析[J].内燃机，2007，1：58-60.
[9]田建明，李国宾，吴德林.气缸套-活塞环磨合过程摩擦磨损特性分析[J].现代船舶机电维修技术，2007，1：58-60.
材料硬度（HBW）石墨基体组织
MS1
MS2 MS3 MS4256
248
259
305
为80%A型石墨+20%B型石墨，级别为5-6级
90%A型+10%B型，级别5-6级
100%A型石墨
95%A型石墨，级别为6-7级
细片状珠光体，硬质相为断续网状的含硼碳化物和复合物，数量为6%，磷共晶最
大1%，铁素体最大1%，无渗碳体
细片状珠光体，硬质相为断续网状分布的磷共晶，铁素体最大1%，无渗碳体
细片状珠光体，磷共晶最大1%，碳化物最大1%，铁素体最大1%，无渗碳体
贝氏体，碳化物磷共晶最大1%，无铁素体和渗碳体
表2缸套样品的硬度及金相组织
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