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1、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. Blau a,*, B. Dumont a, D.N. Braski a, T. Jenkins a, E.S. Zanoria b, M.C. Long ca Oak Ridge National Laboratory, P.O. Box 2008, Oak Ridge, TN 37831-6063, USAb Caterpillar, Peoria Proing Ground, Peoria, IL 61656-1895, USAc Caterpillar, Technical Center, Peoria, I
2、L 61656-1875, 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
3、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
4、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2质量的材料成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
5、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
6、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
7、少陶瓷及陶瓷金属之间摩擦的可行性。例如，Liu和 xue7 在室温条件下利用 Cr 钢和 含有 025( 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 Jahanmir8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 AISI 52100 型号钢。在有较高摩擦力的
8、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
9、材 料 的 摩 擦 系 数2 材 料将 AMOCO P-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
10、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 1 CFCC 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
11、 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，
12、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。 AISI 400C 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
13、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（Talysurf 10, Rank Taylor-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, RM 600, 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G
14、S-44基体上滑动的短期实验，滑动摩擦系数（）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0.600.02和0.110.01。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 （
15、 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 5 Plint TE-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
16、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（=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（）降低到典型边界润滑的值（-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19.210 -6和9.310 -6mm3/（Nm） 。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
