钢表面氮化层与润滑油抗磨减摩剂的协同作用及其机理研究

A new idea of combining surface engineering technology, material surface's property and lubricating oil additive was proposed to solve the friction and wear problems of the piston ring and cylinder liner system in the engines. The tribological system composed of the nitrided layers on the surface for steel piston ring and the lubricating oil additives will be investigated aiming at to understand the synergistic effect and tribological mechanism between the nitrided layer and ZDDP, MoDTC. The nitrided layers with different surface properties will be prepared by the nanocrystallization pretreatment plus the nitrogen ion implantation or the plasma nitriding. The tribological performance for the rubbing pair with ZDDP, MoDTC will be fully evaluated. Through the combined micro-analyses of tribofilm composition, micro-structure and chemical state, the mechanism of synergistic effect among the surface property of the nitried layer - the propertiy of the tribofilm - the tribological performance will be revealed and deeply discussed. Based on the novel thought of "combined surface engineering technology - surface property of the nitrided layer - property of the tribofilm" , through this research the true mechanism of tribological properties of rubbing pair and the necessary modification measures can be obtained. The expected results will provide a theoretical and practical guidance to the selection of the surface engineering technique and design of the lubrication technique for the piston ring and cylinder liner system in the engines.

本项目提出了以表面工程技术、材料表面属性、润滑油添加剂三者复合的方式解决发动机活塞环/缸套系统摩擦磨损问题的新思路，以摩擦副表面材料和润滑剂组成的摩擦学系统作为研究对象，研究钢表面氮化层与ZDDP、MoDTC的协同作用及其作用机理。采用纳米化预处理+N离子注入或离子氮化复合工艺制备不同表面属性的氮化层，考察氮化层表面属性与ZDDP、MoDTC添加剂复合的摩擦学性能。通过摩擦反应膜的复合微观分析测试，研究氮化层的表面属性-摩擦反应膜属性-摩擦学性能之间的关系，揭示氮化层表面属性与ZDDP、MoDTC的交互作用机理。遵循"三方面复合"的指导思想，从摩擦学系统科学角度全面认识改善摩擦副摩擦磨损性能的真实机理与必要措施。预期研究成果对应用于发动机活塞环/缸套系统的表面工程技术选择和润滑技术设计具有重要的理论与实际意义。

为解决发动机活塞环/缸套系统摩擦磨损问题，本项目系统研究了表面纳米化、注（渗）氮表面强化、润滑油添加剂三者复合的摩擦学防护新技术。采用表面纳米化预处理和氮离子注入（离子氮化）相结合的复合表面改性方法在不锈钢表面制备了不同氮含量和微观结构的氮化层，采用AES、XRD、纳米压痕法等对氮化层进行了表征成分、微观结构及力学性能，利用球-盘摩擦磨损试验机测试了氮化层在MoDTC、ZDDP润滑条件下的摩擦磨损性能，并采用SEM、EDS和XPS等系统分析了试样及其对磨球磨损表面的摩擦反应膜成分、化学结合状态及形貌，在此基础上建立了氮化层的表面属性—摩擦反应膜属性—润滑条件下摩擦学性能之间的关系，揭示了氮化层表面属性与ZDDP、MoDTC 的交互作用机理。结果发现：随着注入剂量增加，不锈钢表面氮化层的N含量增加，氮含量超过一定值的氮化层中生成γN相和氮化物相，氮化试样的H、E、H/E和H3/E2均呈现出先增加而后略有下降的趋势；表面纳米化预处理使氮化层晶粒细化。在MoDTC润滑条件下，高N含量、纳米结构的氮化不锈钢试样及其对磨球磨损表面的摩擦反应膜中MoS2和FeS含量高，这减低了氮化不锈钢试样与对磨球之间的黏着和磨损，显著降低了摩擦系数和氮化不锈钢试样及其对磨球的磨损。在ZDDP润滑条件下，氮化不锈钢试样及其对磨球磨损表面的摩擦反应膜成分及微观结构与氮化层的N含量和微/纳米结构密切相关，高N含量、纳米结构的氮化不锈钢试样及其对磨球的摩擦反应膜的减摩抗磨效果最好，摩擦磨损性能最佳。高N含量的纳米结构氮化不锈钢试样及其对磨球在MoDTC（ZDDP）润滑条件下的磨损率显著低于其他氮化不锈钢试样或PAO润滑条件下的磨损率。将表面纳米化预处理、高剂量氮离子注入（离子氮化）与MoDTC（ZDDP）润滑油添加剂相结合可显著降低氮化不锈钢/GCr15摩擦副的摩擦系数和磨损。研究成果对应用于发动机活塞环/缸套系统的表面工程技术选择和润滑技术设计具有重要的理论与实际意义。