可能用于柴油发动机气门导管的陶瓷基石墨复合材料的往复式摩擦磨损行为

1可能用于柴油发动机气门导管的陶瓷基石墨复合材料的往复式摩擦磨损特性P.J.Blaua,*,B.Dumonta,D.N.Braskia,T.Jenkinsa,E.S.Zanoriab,M.C.LongcaOakRidgeNationalLaboratory,P.O.Box2008,OakRidge,TN37831-6063,USAbCaterpillar,PeoriaProÍingGround,Peoria,IL61656-1895,USAcCaterpillar,TechnicalCenter,Peoria,IL61656-1875,USA摘要：在一定范围的温度，正常负载，速度和润滑条件下对从铸铁，氮化硅和氮化硅/12.5%（体积分数）石墨复合材料气门导管上切下的样品进行往复平球实验。这项工作的目的是确定陶瓷复合材料是否会在表面产生一层有益的润滑膜，成为自润滑材料。440C型不锈钢被用作配合端面材料。利用机加工实验使样品的表面粗糙度和磨痕方向与实际气门导管孔相似。为了与陶瓷复合材料对比，还对铸铁和氮化硅基体材料进行了测试。同时对氮化硅基体材料上的石墨粉末进行测试，以确定哪种摩擦行为可能在最有利的情况下被观察到。结合摩擦磨损数据和表面化学分析证实，当前的复合材料在耐磨的同时，氮化硅本身对润滑性没有任何提高。通过光学检测，扫描电子显微镜，或表面化学分析，没有获得有利石墨薄膜形成滑动诱导的证据。在本实验中，用于此种复合材料的石墨破碎成细颗粒，未能形成润滑膜，所得结果不排除发展其他具有自润滑性能的陶瓷复合材料的可能性。关键词：摩擦；磨损；石墨；陶瓷基复合材料；氮化硅；自润滑材料1引言由支撑基体包裹住分散的一个或多个较软的润滑物质的自润滑复合材料已在摩擦应用领域获得了大范围的使用。取决于具体应用，基体材料的范围可以从相对较软的聚合物到硬陶瓷。同样地，润滑物质可以是软金属，聚合物，或其它非金属。柴油发动机效率超过42％，是推动下一代节能型汽车和卡车的领先内燃机选项。这种发动机可受益于使用如陶瓷，轻质金属合金和复合材料等先进的摩擦材料，进一步提高其能源效率和性能。除了座阀，滚子轴承，水泵密封件，以及涡轮增压器转子，气门导管是这些新材料可能的摩擦磨损应用。为了减少柴油发动机因脱离气门导管进入燃烧室的油产生的排放，气门导管和气门杆之间的间隙被减小。因此，液体润滑剂变得难以被供应到气门杆中，利用不必依赖气门导管孔供油稳定就能具有良好润滑质量的材料成2为制造气门杆和气门导管的理想材料。此前的研究对含有12.5%体积分数的石墨纤维的连续纤维陶瓷复合材料（CFCC）和传统铸铁气门导管合金，以及没有添加固体润滑剂的陶瓷基体材料的往复滑动摩擦磨损性能进行了比较。美国能源部门的能源项目[1]将这种CFCC材料作为气门导管的候选材料进行开发。为了更好地了解在滑动过程中，CFCC材料是否会在接触面上形成一层石墨薄膜，我们单独在基质材料上做了实验，商用石墨粉末的润滑作用就如同在一些复合材料中使用的那种松散纤维。为了探索CFCC可能带来的好处而又不忽视特性的重要趋势，在一定范围的负荷，速度，润滑状态和温度状态下进行测试。在干燥和履带附带有柴油发动机油的情况下分别进行实验和表面化学分析。在可控的实验条件下，利用一定范围的载荷，速度和润滑状态对三种气门材料的摩擦磨损性能进行对比，并确定该CFCC在滑动接触中形成的光滑薄膜的程度。如果CFCC在这些实验室规模的试验中展现了良好的特性，便会计划更多在发动机条件下的研究。表1列出了不同类型石墨覆盖面典型的滑动摩擦系数[2-5]。从该数据得CFCC形成有效的石墨润滑膜时摩擦系数为0.05〜0.15。其中的关键技术问题为CFCC材料在商业应用时润滑膜的稳定性和持久性。Williams等[6]介绍碳-石墨材料对不锈钢的摩擦磨损特性表现出磨合行为，导致在游离摩擦磨损条件下，钢上形成和不断补充缓冲传递层。磨合期中，在稳定的传递层建立之前，高石墨材料的初期磨损比无石墨材料迅速。由于稳定的传输层存在对保持良好的摩擦性能有至关重要的作用，现在的研究兴趣在于能否形成类似的碳纤维-氮化硅复合材料。以往的研究已经表明使用石墨润滑剂减少陶瓷及陶瓷金属之间摩擦的可行性。例如，Liu和xue[7]在室温条件下利用Cr钢和含有0〜25％(体积分数)石墨四方氧化锆多晶(TZP)陶瓷基复合材料滑动分别进行往复球-平板试验。随着石墨含量增加至24.4％（体积分数），摩擦系数大约从0.56的降低到0.30。石墨含量略低时复合材料的磨损率小幅下降，然后当石墨含量超过15％（体积分数）时，摩擦系数显著增加。在Gangopadhyay和Jahanmir[8]较早的一组实验中，对石墨-氮化硅复合材料以及其他组合进行销-环实验，将陶瓷针样品钻孔并填充石墨来建立符合特性模型。环是AISI52100型号钢。在有较高摩擦力的磨合期间，含有石墨的传递层在氮化硅上形成，使得其拥有约0.17的恒定滑动摩擦系数。.当接触区域的石墨超过20％面积分数时，才能从石墨氮化硅符合材料中获得最大收益。当石墨的面积百分数较高时（＞40%），氮化硅与钢环摩擦的磨损率要么基本保持不变，要么升高。另一方面，随着石墨的面积分数从0到近50％，钢环的磨损率略有下降。随后，Gangopadhyay等[9]在其综述文章中再次提到这项工作。这些早期工作揭示了自润滑陶瓷在推动柴油发动机技术中发挥作用的潜力。这里要解决问题是一个特定的CFCC是否会具有低摩擦磨损性能；如果会的话，碳膜在其中发挥了什么作用？3表1石墨材料上各种材料的摩擦系数2材料将AMOCOP-75石墨纤维（75%石墨化）约占12.5％（体积分数）的CFCC混入多晶，细颗粒热等静压氮化硅基体中，以期产生出一种自润滑材料。这种材料的典型显微组织如图1所示。基于以前的研究结果，CFCC纤维类型和组成的选择不仅取决于摩擦磨损性能，同时也关注热膨胀系数和材料加工性能[1]。这里描述的一些试验使用石墨粉（1651毫米，0.7毫米级）或松散的P-75石墨纤维GS-44样品，以研究这些润滑材料单独存在基体材料中的影响。从柴油发动机气门导管中心割下部分做为磨损样品，作为表面平直的实验平面。如图2所示，实验方向与磨面方向垂直。为了满足样品表面粗糙度的要求，需要测量实际气门导管孔的表面粗糙度。在橡树岭国家实验室的机加工和检测研究中心设置表面磨削参数，对样品进行磨削，使平面实验的表面粗糙度接近实际导管孔（表2）。CFCC样品的表面磨痕如图3所示。4图1CFCC材料的光学显微照片基体的半透明令我们看见一些近表面的纤维。亮区是倾斜照明图像中凹坑的边缘。图2本研究中所用球-平面实验的几何示意图图3未磨损CFCC中纤维出现在表面区域的磨痕和颗粒视场表2材料53实验模型和过程本研究使用了两种往复平球试验机，使其在各种条件下运行。气门导管孔实际的侧向载荷没有可靠的资料可查。因此，选择载荷来产生可测量磨损量的试样，并产生类似于发动机测试时观察到的陶瓷阀气门导管样品磨损特性。早期的工作由美国橡树岭国家实验室开发的一个低载荷（5N）往复试验机进行。这台机器在一个固定的球下来回移动平面样品台。设计这个5N载荷的实验，检测在室温下，关于GS-44和CFCC中石墨和石墨在水中的摩擦的影响。另外，松散的P-75石墨纤维分散在GS-44表面，用以和商业石墨粉末进行比较。随后的实验在一种商用机器上进行，它能固定平面样品，让球来回移动。这项实验研究了更高的法向载荷，更高的往复运动的频率和温度的影响。在前期和后期工作当中，滑块均使用9.525mm直径的AISI型440C不锈钢球。AISI400C的标准成分，以质量分数计，碳含量为0.95-1.2%，锰含量为1%，硅含量为1%，磷含量为0.04%，硫含量为0.003%，铬含量为16-18%，钼含量为0.75%，余量为铁。而440C不锈钢通常并不用作气门材料，在某种意义上说，它类似于镀Cr气门杆，因为它们有类似的硬度并且被铬氧化物保护膜覆盖。表3列出了实验条件。摩擦数据由安装在低载荷试验机上的球保持架和在较高的负载机器的扁平试样台上的力传感器获得。通过球状样品磨痕直径计算出每单位载荷的体积损失率和距离减小值，进而计算出球状样品的磨损率。通过磨损沟槽接触轮廓计算得出，除铸铁以外的其他样品的磨损率表现出相似的单位（Talysurf10,RankTaylor-Hobson,Leicester,UK;2mm尖端半径）。铸铁样品具有更深的磨痕，并用具有更大深度范围的激光表面测绘仪器进行测量（Rodenstock,RM600,Munich,Germany）。表3本实验和前期研究中使用的实验条件概述64结果4.1摩擦结果载荷为5N，在各种介质存在的环境中进行440C在GS-44基体上滑动的短期实验，滑动摩擦系数（µ）如图4所示。每点代表三次实验的平均值。30秒后，干燥的石墨粉末和干燥的碳纤维得到了类似的结果。使用添加到蒸馏水中的碳纤维，摩擦系数增加一倍，GS-44在无润滑条件下进行实验时，摩擦系数再次加倍。CFCC的扁平样品在干燥和加润滑油或其他相似条件下进行实验，最终摩擦系数分别达到0.60±0.02和0.11±0.01。因此，CFCC在干燥条件下进行实验时比无润滑GS-44的摩擦略高，说明加入碳纤维没有明显的益处。油润滑条件下的CFCC具有与用干燥0.7mm石墨粉末润滑的GS-44相似的摩擦系数。图4载荷为5N时的前期摩擦数据（µ为摩擦系数）表4给出了在更恶劣条件下得到的稳定摩擦数据。结果如表5所示。除油润滑条件下的CFCC实验，每个实验只有一个滑动距离，表中的每个值是三次实验结果的平均值。在大多数情况下，摩擦系数在磨合期之后稳定。但是，对于GS-44（ID=8），在实验过程中摩擦力有小幅上涨。表4本研究中所使用的实验条件（所有实验的滑动材料使用440C）7表5PlintTE-7实验的摩擦磨损数据如图5所示，CFCC复合材料的摩擦系数比为GS-44略高。对于这两种材料，在室温下，摩擦力随着负载和速度的增加而增加。对于铸铁，我们发现负载或速度对其没有影响。在干燥条件，载荷为100N时，CFCC和GS-44的摩擦系数都相对较高（µ=0.88和0.83）。在这两种条件下，较高的温度使其摩擦系数降低至0.5。然而，在室温下施加25N和100N的法向力时，CFCC具有较GS-44高的摩擦力，这与我们在5N载荷的实验中发现的特征相同。当实验在含油条件下进行时，摩擦系数（µ）降低到典型边界润滑的值（µ-0.1）。对于CFCC，即使滑动距离高达18公里，摩擦力也没有随着滑动距离的变化产生很大变化。图5各种实验条件下铸铁、GS-44和CFCC材料平均稳态摩擦系数的比较4.2磨损结果440C球在低载荷条件下与CFCC摩擦，440C球在无润滑和油润滑条件下滑动的磨损率分别为19.2×10-6和9.3×10-6mm3/（N·m）。高载荷条件下磨损率见表5。除了12，13和14号实验，每个值都代表三次实验的平均值。8如图6所示，铸铁磨损率始终超过陶瓷。事实上，铸铁在滑动时会产生很深的沟槽，因此必须减少每次实验所滑动的距离。在100N载荷下，油减少了铸铁50%的磨损率，使其与在干燥条件下承载25N载荷时的磨损率相似。如图7所示，原加工纹理被具有“严重金属磨损”特征的大量塑性变形所磨掉。图6各种实验条件下球和平面样品磨损率的比较图7铸铁磨痕的边缘细节视图磨损区域的延展特征表明金属磨损严重。原始表面粗糙度在磨痕区域外右下方可见。9GS-44和CFCC磨损太少，以至于在大多数情况下，它们的磨损量是无法测量的。但是，在室温条件下，当法向力为100N时，CFCC的磨损率是GS-44的两倍（分别为1.3×10-6和0.6×10-6mm3/（N·m））。即使总滑动距离在达到18公里，油也有效地防止了CFCC的显著磨损。磨损后CFCC接触面的能量散射X射线分析（EDXA）表明S和Ca的存在可能来自柴油的中的添加剂。Mg可能是来自氮化硅中烧结助剂，无润滑磨损面的分析也证实了这一点。两个陶瓷表面粗糙度