几种内燃机磨合油的摩擦学性能评价及在缸套和活塞环摩擦副上的应用

第21卷　第5期摩擦学学报V o l21,　N o5 2001年9月TR I BOLO GY Sep,2001几种内燃机磨合油的摩擦学性能评价及在缸套和活塞环摩擦副上的应用夏延秋1,刘维民2,薛群基2(1.沈阳工业大学机械学院,辽宁沈阳　110023;(2.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点试验室,甘肃兰州　730000)摘要:在分析内燃机缸套和活塞环摩擦副的运行环境和运行机制的基础上,针对内燃机频繁出现的缸套和活塞环摩擦副擦伤现象,研制出了2种内燃机磨合油,在四球摩擦磨损试验机上评价了其磨合效果,采用扫描电子显微镜对磨合表面进行了形貌观察,并通过热分析考察了其热稳定性和热氧化安定性.结果表明,在物理化学指标符合内燃机油的前提条件下,所研制的2种磨合油的承载和抗磨能力较高,经其磨合后的缸套2活塞环表面光滑,磨合效果良好.两种磨合油的热稳定性和热氧化安定性亦较高,是潜在的优良的内燃机磨合油.关键词:磨合油;缸套和活塞环;磨合效果;评价中图分类号:T K423.33文章标识码:A文章编号:100420595(2001)0520358204 随着内燃机向小体积、低重量、大功率、高热负荷以及长使用寿命方向发展,同时要求内燃机启动时间更短、速度更快和载荷更大,在此苛刻的工作条件下,缸套和活塞环摩擦副在跑合过程和运转初期极易发生擦伤和胶合破坏.内燃机中缸套和活塞环摩擦副的摩擦磨损性能的好坏,关系到内燃机的质量.内燃机缸套和活塞环的擦伤一般发生在磨合运转过程中,即活塞环与缸壁接触不均,局部接触应力过高,油膜破坏而擦伤.所以一般要求缸套表面光滑,且有均匀平稳的表面粗糙度,这样可以形成良好的油膜分布.雷爱莲等[1]对内燃机磨合油进行了磨合试验研究.桂长林[2]指出,在高温环境下,当活塞面上某特定点的接触压力高于瞬间及局部润滑状态下所能承受的最大压力时,将发生擦伤,当初始擦伤不能被消除并进一步发展时,将影响内燃机的正常工作.而磨合是减少擦伤和延长寿命的重要方法.研究人员从材料、制造工艺和表面改性以及高性能内燃机油的研制等方面入手,通过大量研究,成功地延长了缸套和活塞环的使用寿命[3～6].但值得注意的是,目前依然难以完全避免行车初期缸套和活塞环摩擦副擦伤或胶合的发生,而研制开发新型高性能磨合油对防止这种缸套和活塞环摩擦副的擦伤或胶合具有重要意义.为此,本文作者借鉴M u rakam i等[5,6]利用四球试验机研究添加剂跑合过程的方法,研制了2种适合不同工况的具有良好极压抗磨性能的磨合油,并评价了其摩擦学性能.该磨合油不仅满足内燃机油的各项物理化学性能指标要求,而且能满足内燃机快速磨合或长期运转要求.1　缸套和活塞环摩擦副运行机制与磨合油内燃机缸套和活塞环摩擦副的工作条件苛刻.首先,活塞环受力情况复杂,不仅承受气缸壁之间的摩擦力、气体压力及自身的惯性力,而且活塞处于运动状态时各个力的大小和方向时刻发生变化,特别是在止点附近,摩擦力很大.其次,由于在高压和高冲击下工作,缸套和活塞环摩擦副长期处于高温、高压和腐蚀气氛中,其润滑方式极为复杂,可能同时存在流体润滑、混合润滑和边界润滑3种状态.尤其在磨合初期,缸套和活塞环摩擦副表面粗糙,此时的摩擦副的接触面积仅占名义接触面积的千分之几到万分之几.在不改变材料的前提下,解决磨合初期发生擦伤和胶合的关键在于:①提高润滑油的极压性能,从而提高内燃机油的承载能力,避免擦伤和胶合;②在提高磨合油极压性能的同时,采用合理的磨合规范来提高磨基金项目:国家杰出青年基金资助(59825116);辽宁省教委资助课题(990521038).收稿日期:2000211220;修回日期:2001203215 联系人夏延秋.作者简介:夏延秋,男,1965年生,博士,副教授,目前主要从事润滑油添加剂及其摩擦化学研究.合速度,达到快速磨合的目的;③由于对内燃机油性能的要求严格,因此必须协调各种添加剂组分之间的关系,以改善缸套和活塞环的润滑状态和强化表面质量.2　实验部分2.1　试验材料试验材料选用硬度为61～63H R C的GC r15钢球,钢球直径12.7mm;试验前钢球在石油醚中超声清洗20m in.研制的2种磨合油分别记为1#和2#.磨合油的磨合剂由多种添加剂复配而成,以氮剂为主剂,同时加入防锈剂、抗氧剂和清净分散剂等多种添加剂,以提高磨合油的综合性能.其中1#样品的添加剂含量为5%(以质量分数计,下同),2#样品的添加剂含量为9%,同时采用商品磨合油[3](简称3#)进行对比试验.2.2　摩擦磨损试验在吉山四球摩擦磨损机上进行摩擦磨损试验,在1410r m in转速下,按GB3142282测定磨合油的p B(最大无卡咬负荷)和p D(烧结负荷)值.长磨试验在济南试验机厂生产的四球长磨试验机上进行,在转速1450r m in和载荷392N下(试验时间30m in)评定磨合油的抗磨和减摩性能.2.3　磨合油和磨痕表面分析在PER K I N2EL E M ER型热分析仪上,采用热失重分析(T GA)评价添加剂的热稳定性,采用差示扫描量热法(D SC)评价添加剂的热氧化安定性,热稳定性评价在空气中进行,而热氧化安定性评价在氮气中进行,升温速度为20℃ m in.用低真空扫描电子显微镜(SE M)观察磨痕表面形貌,进而通过形貌观察来分析磨合效果.3　结果与讨论表1和图1给出了所研制的2种磨合油与3#磨 表1　3种磨合油的极压抗磨性能比较Table1　Extre m e pressure and an ti-wear propertiesof three runn i ng-i n lubr ican tsR unning lubricant W SD mm p B N p D N1#0.51137230872#0.4098024503#0.438331960合油的对比试验结果.从磨合角度而言,若要在短时间内达到较好的磨合效果,则要求磨痕大,磨合表面光滑.但作为高效内燃机油,则要求磨痕直径越小越好.从这个观点出发,我们配制的磨合油之一可实现内燃机的快速磨合;另一种则可在正常工作状态下,逐步达到磨合目的.由于2种磨合油的承载能力均较高,因而可保证缸套和活塞环摩擦副不发生擦伤甚至胶合.从表1可以看出,3种磨合油的耐磨性能排序为2#>3#>1#,承载能力和烧结负荷排序依次为1#> 2#>3#,其中1#磨合油的p B值最高,远高于重负荷齿轮油的烧结负荷(p D=2450N),2#磨合油的p D值达到2450N,可以保证缸套和活塞环不会产生擦伤, 3#磨合油的p D值仅为1960N.显然,我们研制的磨合油的极压性远远优于对比试样3#磨合油.从图1F ig1　F ricti on coefficient of different lubricants图1　不同润滑油的摩擦系数可以看出,3种磨合油的减摩性能排序依次为1#>2# >3#.从内燃机运转角度而言,摩擦系数越小减摩性能越好,越有利于提高工作机的效率和延长疲劳寿命.H irano等[6]认为,内燃机润滑油的粘度越高越好,这样可提高缸和活塞环摩擦副的抗擦伤能力.但从节能角度而言,高粘度油不但效率低,而且浪费能源.我们认为,应该通过优选添加剂来解决缸套和活塞环摩擦副的擦伤问题.实际上,我们在所研制的磨合油中选用了无灰添加剂,这样既可防止积碳,又能减小侧向擦伤几率.图2分别示出了经10W 30CD机油和3种磨合油磨合后的钢球表面形貌SE M照片.可以看出,经10W 30CD机油磨合后的钢球表面较为粗糙,磨痕直径较大;而采用我们研制的磨合油磨合后的钢球表面明显较为光滑,磨痕尺寸亦较小,缸套和活塞环可快速达到稳定磨损阶段,从而便于长期使用.我们在齿轮磨合的实验研究中,曾经采用化学跑合的方法,通过增加活性元素硫和氯的量,利用化学腐蚀磨损,使齿轮摩擦副表面快速达到了低粗糙度和较好共轭性的目的[7].内燃机的跑合与齿轮跑合有所不同.这是953第5期夏延秋等:　几种内燃机磨合油的摩擦学性能评价及在缸套和活塞环摩擦副上的应用(a)R unning2in w ith10W 30CD oil(b)R uning2in w ith reference o il3#(c)R uning2in w ith synthetic o il1#(d)R uning2in w ith synthetic o il2#F ig2　SE M mo rpho logies of the w ear scars on cylinder liner after running2in w ith vari ous o ils图2　经不同磨合油磨合后的缸套表面磨痕形貌SE M照片因为内燃机是一个复杂系统,添加过多的腐蚀性强的添加剂,虽然对跑合有利,但却对发动机系统不利.因此不能采用齿轮跑合剂来进行内燃机跑合.我们通过研究发现,选用非活性的添加剂,可在保持磨合表面质量的同时,达到提高载荷和降低摩擦的目的.应该指出的是,由于对比油样3#磨合油的极压性能不佳,在发动机磨合阶段,采用3#磨合油实现满载磨合具有相当大的风险.图3示出了所研制的磨合油复合添加剂的T GA和D SC曲线.可见,该复合剂具有较高的热稳定性,(a)T GAcurve(b)D SC curveF ig3　T GA and D SC curves of the tw o fo r m ulated running2in lubricants图3　研制的2种磨合剂的热分析曲线从T GA曲线可以看到,磨合油添加剂在170℃左右开始分解,到350℃仍未完全分解,其热稳定性优于Z DD P[8].而从D SC曲线可以看到,磨合油添加剂的热氧化起始温度在220℃左右,高于Z DD P的热氧化起始温度[8].该添加剂可以吸收摩擦产生的大量热量,从而与金属表面发生物理和化学作用.采用1#和3#磨合油对国产新130卡车进行1000km跑车试验.检测发现,1#磨合油的缸套表面粗糙度R a由跑合前的2.1Λm降到跑合后0.3Λm;而3#油缸套表面有轻微划痕,说明1#磨合油是一种优良的内燃机磨合油.4　结论a.　配制的2种磨合油具有较高的承载能力和良好的减摩性能,相应的磨合表面光滑.b.　配制的复合剂具有优良的热稳定性和热氧化安定性能,是潜在的优良内燃机磨合油.参考文献:[1]　雷爱莲,聂钢,靳印牢.高效内燃机磨合油在492QB16上的磨063摩　擦　学　学　报第21卷合试验研究[J ].润滑油,1999,14(3):28231.[2]　桂长林.影响内燃机活塞环2缸套擦伤的因素及防擦伤的摩擦学设计[J ].摩擦学学报,1998,18(3):2832288.[3]　张家玺,高群钦,朱均.内燃机缸套2活塞环摩擦学研究回顾与展望[J ].润滑与密封,1999,5,26229.[4]　陈凌珊,陈伯贤,陈定文,等.内燃机活塞环摩擦磨损试验研究[J ].摩擦学学报,1998,18(4):3652368.[5]M urakam i T ,Sakai T ,Yam amo to Y ,et a l .T ribochem icalaspects of the running 2in p rocess in four 2ball testing [C ].P roc 8th leeds 2L yon Symp on T ribo logy ,Butterqwo rth s ,1982,2102215.[6]H irano F ,Sakai T ,Yam amo to Y .Effect of oxide fil m fo r 2m ati ononfricti on 2temperaturecharacteristicsofo ils ,especially in four 2ball testing [C ].P roc 6th L eeds 2L yon Symp O n T ribo logy,P lace of publicati on:M echanical Engineering Publicati ons ,1980,2982303.[7]夏延秋.以钢代铜:钢2钢蜗轮传动的材料选择、摩擦与润滑[D ].沈阳:沈阳工业大学,1993.[8]魏建军,薛群基.用D SC 评价基础油和添加剂的热氧化安定性[J ].石油学报,1991,7(4):1042110.Evaluation of the Tr ibolog ical Behav ior and Application ofSeveral Runn i ng -i n L ubr ican ts for Cyli nder L i ner -P istonR i ng Pa ir i n I n ternal Com bustion Eng i neX I A Yan 2qiu 1,L I U W ei 2m in 2,XU E Q un 2ji2(1.S chool of m echanical E ng ineer ,S heny ang U niversity of T echnology ,S heny ang 110023,Ch ina ;2.S tate K ey L aboratory of S olid L ubrication ,L anz hou Institu te of Che m ical P hy sics ,Ch inese A cad e m y of S cience ,L anz hou 730000,Ch ina )Abstract :Tw o runn ing 2in lub rican ts w ere p repared in an attem p t to p reven t the cylinder liner 2p iston ring of an in ternal com bu sti on engine from scuffing and seizu re .T he an ti w ear and ex trem e p ressu re p roperties of the tw o fo r m u lated runn ing 2in lub rican ts w ere com p ared w ith that of a reference comm ercial coun terpart on a fou r 2ball m ach ine ,w h ile the ther m al stab ility of the lub rican ts exam ined by m ean s of ther m ogravem etric analysis and differen tial scann ing calo ri m etry .T he su rface m o rpho logy of the cylinder liner after runn ing 2in tests w as ob served w ith a scann ing electron m icro scope .A s the resu lts ,the tw o fo r m u lated lub rican ts show better an ti w ear and ex trem e p roperties than the reference coun terpart .T hey also have relatively goodther m al stab ility .M o reover ,the cylinder liner 2p iston ring pair has good su rface quality after runn ing 2in w ith the tw o fo r m u lated lub rican ts .T hu s they are po ten tial excellen t runn ing 2in lub rican ts fo r the cylinder liner 2p iston ring p air .Key words :runn ing 2in lub rican t ;cylinder 2p iston ring p air ;runn ing 2in effect ;evaluati on163第5期夏延秋等:　几种内燃机磨合油的摩擦学性能评价及在缸套和活塞环摩擦副上的应用。