气缸套与活塞环是内燃机的心脏,其耐磨性直接影响发动机的使用寿命、功率损失、燃油和润滑油的消耗。因此,如何提高这对摩擦副的耐磨性历来就是一个重要的研究课题。其中确定摩擦副的实际磨损类型是解决摩擦副耐磨性的首要问题,也是选择材料和采取保护措施的重要依据。
以往认为气缸的磨损主要是腐蚀磨损。早在四十年代,苏联高尔基汽车制造厂应用镍耐蚀镶套成功地使气缸寿命延长了1-3倍。近年来,为提高发动机的技术水平,对气缸的耐久性进行了大量的对比试验,提出了气缸套的磨损主要是磨料磨损的假设。认为铬硅铸铁气缸套的寿命比镍耐蚀合金铸铁气缸套高l-3倍。其原因是铬硅铸铁具有较高的耐磨料磨损能力,因此气缸的磨损在很大程度上不是取决于气缸的耐腐蚀性,而是取决于气缸的抗磨料磨损的能力。
随着科学技术的发展,目前已进入到对磨损的微观过程的研究,即应用固体物理、表面物理、表面化学、表面缺陷等知识辅以精确的表面测试技术以及对次表面变化的研究,加强对磨损机理的认识。
七十年代出现的铁谱技术,为磨损机理的研究提供了一个崭新的手段。它是以机械摩擦副的磨损为基本出发点,借助于铁谱仪把磨损颗粒或其它污染颗粒从液体工作介质(如润滑油、水、液压油等)中分离出来,制成铁谱片,然后置于铁谱显微镜或电子显微镜下进行观察分析的技术。磨损颗粒是接触体的磨损产物。它的形态、数量、大小、微观形貌、结构及成分都其实地记载着材料的磨损过程,而且磨损颗粒一旦形成后,就脱离母体,不再受接触体重复摩擦的影响,能真实地反映磨损过程,因而磨损颗粒的分析研究是磨损机理研究的一个重要方面。
众所周知,发动机油底壳内的润滑油中的含铁量是各个摩擦副表面磨损量的总和值,其中70%-80%是气缸的磨损产物。本文对取自油底完内的润滑油进行制谱分析,通过对磨损颗粒的形貌进行观察研究,探明气缸窑的磨损机理。

试验方案

    油样取自同一运输公司处于不同磨损期的汽车上,共计88个。油样是在汽车刚刚停稳、发动机仍处在热态下从油底壳内抽取的,取样时,将机油标尺取出,从标尺孔处插入铜管,铜管插入油中的深度约为30-35mm.汽车主要运行在路况较好的柏油路面上。
本次试验所用的仪器是：TPF-l型分析式铁谱仪(重庆光学仪器厂生产),ASM-X型扫描电子显微镜(日本产)。

试验结果及剥层磨损机理的提出

    通过对处于不同磨损阶段的88个油样分析的结果来看：磨合期内的磨屑呈多样化,但主要是小的薄片状磨屑,尺寸小于l0μm,少量约为20-30μm( 图l )。另外还发现有表面粗糙的粘着磨损颗粒( 图2 )、块状磨屑、少量的切屑( 图3 )及大量的球屑。球屑可以作为磨合期的典型磨屑。正常使用期主要是正常的摩擦磨损颗粒,呈薄片状,表面光滑( 图4 ).在严重磨损期除大量的薄片状磨屑以外,还发现有块状磨屑,表面有摩擦擦痕及较多的切屑（ 图5 ）、氧化物颗粒和底蚀磨损颗粒( 图6 )。腐蚀磨损颗位的能谱分析结果表明磨损颗粒主要由Fe和Si,其次是Cr和A1组成( 表l ),这说明磨损颗粒来自于缸套-活塞环摩擦副.对薄片状磨屑的扫描电镜观察表明磨屑呈层片状( 图7 ),为剥层磨损的特征磨屑,它不具备磨料磨损在多次塑变机制作用下所产生的磨屑特征。因为磨料磨损在多次塑变机制作用下产生的磨屑表面有经反复塑变和辗压而形成的层状折痕、压坑及二次裂纹等。因此,认为剥层磨损是气缸套的主要磨损形式。
气缸套磨损是一个十分复杂的现象,在试验过程中除发现有大量的薄片状磨屑以外,还发现有切屑、表面粗糙的粘着磨损颗粒和腐蚀磨损赖位。因此,对气征套来讲除剥层磨损以外,同时还存在有磨料磨损、粘着磨损及腐蚀磨损。

剥层磨损理论简介

    本世纪七十年代初期,麻省理工学院的N.P.Suh提出了磨损的剥层理论,它是以金属的位错理论为基础,从金属滑动接触模型中推导出来的。其要点概括如下：
    (l)两个相对活动的摩擦表面在摩擦力的作用下产生塑性变形,这种变形层有一定厚度.摩擦系数增大时,表面塑性变形层变厚。
    (2)塑性变形使材料中位错密度增高,但在极表层的位错密度不大,这样在次表层产生位错堆积,这就导致了空穴的形成。另外,如果材料中有硬的二相质点存在,也可造成位错堆积,形成空穴。当金属中含有大量的二次相时,空穴主要是由母体材料相对于硬质相的塑性流动而形成的。
    (3)在进一步的摩擦过程中,空穴增多、长大和连接形成平行于表面的裂纹。
    (4)根据材料的不同,裂纹生长到某一临界长度后,裂纹与表面间的材料被剪切而形成薄片状磨屑。由上述可见,磨损的大小取决于裂纹的成核率和扩展率,在选择气缸套材料时要综合考虑这两个方面的因素。

剥层磨损理论对气缸套磨损规律的解释

    在正常情况下,气缸表面沿其高度方向形成“上大下小",的倒锥形.利用剥层理论可以成功地解释这一现象。
为了改善气缸套和活塞环的耐磨性,需要解决二者之间的硬度匹配问题。一般活塞环的硬度略高于气缸套。这样经过一段时间的运行后,气缸套表面将变得比较光滑。众所周知,在上止点附近,因承受燃烧高溢,且速度低,加之油环的限油作用,润滑油很难供应到上止点区,从而造成上止点附近的油膜最薄,同时在上止点附近,活塞环内壁上的气体压力最大。这样通过油膜传给气缸壁的压力及切向力即摩擦力也最大,造成气缸套材料发生严重的塑性变形,变形层深度也较深。由剥层理论可知,法向力和切向力越大,裂纹成核深度越大,且扩展速度也越快。因此造成在上止点区气缸套磨损严重,且烧屑较厚,尺寸较大.当活塞向下运动时,由于作用在活塞环上的背压降低,温度下降，滑动速度变大,因此油膜易于形成。这样,作用在气缸套上的压力、切向力都减小,塑性变形层厚度变薄,裂纹将在气缸壁表面下较浅处成核,且裂纹扩展的速度也低,因此磨损较小,磨屑较薄.当活塞运动到下止点附近时,尽管此时滑动速度较低,油膜难以形成,但此时因活塞环背压很低,因此磨损也较轻.长期磨损使缸套变成“上大下小"的倒锥形。