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内燃机配件的磨损机制及耐磨材料研究.pdf

上传人:自信****多点 文档编号:2496311 上传时间:2024-05-30 格式:PDF 页数:3 大小:1.73MB
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资源描述

1、造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 装备及自动化27内燃机配件的磨损机制及耐磨材料研究付雪景,冯汝栋,程 蕾滨州渤海活塞有限公司,山东 滨州 256606摘要:文章系统探讨了内燃机配件的磨损机制及耐磨材料。首先,介绍了内燃机配件磨损问题的严重性,并阐述了磨损的主要机制,包括黏着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损,分析了内燃机配件磨损的主要影响因素。其次,深入研究了耐磨材料,包括其定义、性质及主要类型,并指出了耐磨材料选用的原则及研究进展。最后,提出了内燃机配件耐磨性能的改进策略,包括应用表面工程技术和材料表面改性技术。这些研究对于提高内燃机配件的耐磨性能、

2、降低磨损率、延长使用寿命具有重要意义,并为内燃机行业的可持续发展奠定基础。通过文章的研究,为内燃机设计和制造领域提供有价值的参考,推动内燃机技术的进步与发展。关键词:内燃机配件;磨损机制;耐磨材料分类号:TK403内燃机作为现代社会不可或缺的动力源,其配件的耐磨性能直接影响着内燃机的寿命和性能。然而,内燃机配件在高速、高温、高压的恶劣工作环境下常常出现磨损问题,这不仅降低了内燃机的效率,还可能引发故障和安全隐患。因此,深入探究内燃机配件的磨损机制,以及研究和发展高性能的耐磨材料,对于提高内燃机的可靠性和经济性,推动相关领域的技术进步,无疑具有重要的理论和实际意义1。1 内燃机配件磨损问题的影响

3、内燃机作为现代社会的重要动力设备,广泛应用于汽车、船舶、飞机以及各种工业设备中。然而,随着内燃机的广泛应用和持续运行,其配件磨损问题逐渐凸显,成为严重影响内燃机性能和寿命的关键因素。内燃机配件的磨损会导致设备性能下降,如图 1 所示。内燃机的高效运行依赖于各配件之间的精密配合,一旦出现磨损,配件之间的间隙变大,燃烧室密封性下降,进而导致压缩比降低,燃烧效率下降2。这不仅会使内燃机的动力输出减少,还可能造成燃油消耗的增加,严重影响设备的运行效能。配件磨损会加剧内燃机的污染排放。磨损导致燃烧效率下降,未燃烧的燃料在排放过程中会形成有害气体,加剧空气污染。同时,磨损的金属屑和颗粒物也会随尾气排放,对

4、环境和人类健康构成威胁。内燃机配件磨损会缩短设备寿命,随着磨损的加剧,配件的精度和强度逐渐降低,可能引发更严重的故障,甚至导致内燃机提前报废。这不仅增加了设备的运维成本,也可能给生产和生活带来不便。图 1 内燃机配件磨损图2 内燃机配件的主要磨损机制2.1 黏着磨损黏着磨损,又称咬合磨损,是指两个相互接触的固体表面在法向载荷作用下,由于表面粗糙度的原因,在局部发生相互黏着3。当黏着点发生剪切断裂时,材料从一个表面迁移到另一个表面,从而产生磨损。在内燃机中,这种磨损常出现在高速滑动或滚动的接触面,如曲轴与轴承之间。黏着磨损的程度会受到温度、压力和材料性质的影响。2.2 磨粒磨损磨粒磨损是指硬的颗

5、粒或凸起在较软的材料表面滑过时,引起的材料去除现象。这些硬的颗粒可能是作者简介:付雪景,女,助理工程师,研究方向为轿车活塞的机械加工。文章编号:2096-3092(2024)01-0027-03 装备及自动化 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料28外界的污染物、金属表面的氧化物或其他硬质杂质。在内燃机中,燃油中的杂质、润滑油的劣化以及燃烧产生的碳粒都可能导致磨粒磨损。此外,缸壁与活塞环之间的接触,也可能因为润滑油膜的不完整而出现磨粒磨损4。2.3 表面疲劳磨损表面疲劳磨损是由于循环接触应力导致的材料表面疲劳断裂而产生的磨损。这种磨损通常发生在承受周期性变化的接触压力的表

6、面,如齿轮、凸轮等。在内燃机运行过程中,这些部件会受到交变应力的作用,长时间作用后,会在材料表面形成裂纹并逐渐扩展,最终导致材料剥落,形成磨损。2.4 腐蚀磨损腐蚀磨损是环境介质与摩擦表面之间的化学或电化学反应导致的材料去除现象。在内燃机中,由于高温、高压和化学物质的存在,腐蚀磨损是一个严重的问题。例如,燃油中的硫成分燃烧生成的硫酸,会对金属配件产生化学腐蚀。此外,冷却水中的溶解氧和硬度成分也可能对金属表面产生电化学腐蚀。3 内燃机配件磨损的主要影响因素3.1 材料性质内燃机配件的材料性质是影响其磨损情况的首要因素。材料的硬度、韧性、耐磨性等物理性质直接决定了其在工作过程中的抗磨损能力。例如,

7、一些具有高硬度和良好耐磨性的材料,如碳化硅和氮化硅等陶瓷材料,能够显著提高配件的耐磨性,降低磨损率。另外,材料的化学性质也影响着磨损情况,例如,一些材料在特定的环境条件下容易发生化学反应,导致腐蚀磨损。除了材料的自身性质,材料的处理工艺,如热处理、表面处理等也会对磨损情况产生影响。例如,通过适当的热处理可以提高材料的硬度和耐磨性;通过表面处理如镀铬、喷涂陶瓷等,可以在材料表面形成一层具有优良耐磨性的覆盖层,从而减少磨损。3.2 工作条件内燃机的工作条件是影响配件磨损的重要因素,这包括温度、压力、载荷、速度等多个方面。例如,高温环境下,材料会发生软化,降低其抗磨损能力;高压和重载条件下,配件之间

8、的接触应力增大,加剧磨损。此外,内燃机的运行速度也会影响磨损,高速度下配件之间的摩擦热增加,可能导致材料表面疲劳,加速磨损。3.3 润滑条件良好的润滑是减少内燃机配件磨损的关键因素。润滑油可以在配件之间形成一层油膜,避免直接金属接触,从而减少摩擦和磨损。然而,如果润滑条件不良,如润滑油质量差、供油不足、油温过高等,都会导致润滑效果降低,加剧配件的磨损。此外,润滑油的清洁度也会影响磨损,如果润滑油中含有杂质和颗粒,会引发磨粒磨损。综上,材料性质、工作条件和润滑条件是影响内燃机配件磨损的主要因素。为了减少内燃机配件的磨损,需要优化材料选择和处理工艺,改善内燃机的工作条件,以及加强润滑管理和维护。通

9、过综合考虑这些因素,可以有针对性地提出解决方案,提高和延长内燃机的整体性能和寿命,进一步推动内燃机技术的进步和发展。同时,这也为内燃机设计和制造工程师提供了重要的参考依据,以更科学、更合理的方式来设计和制造内燃机配件,从而提高设备的耐用性和经济性。4 耐磨材料概述4.1 耐磨材料的定义及性质耐磨材料是指那些具有优异抗磨损性能的材料,能够在摩擦、冲击和高温等恶劣工作环境下保持较好的表面完整性和机械性能。这类材料通常具备高硬度、高韧性、良好的耐磨性和耐腐蚀性。4.2 耐磨材料的主要类型(1)碳钢和合金钢。碳钢是最常用的耐磨材料之一,通过增加碳含量来提高硬度与耐磨性。合金钢则通过添加合金元素(如铬、

10、钼、钨等)来进一步强化钢材,并提高其耐磨性、耐腐蚀性和高温性能。(2)铸铁。铸铁是一种具有良好耐磨性和减震性的材料,广泛应用于内燃机的缸体、缸盖等部件。通过合理的铸造工艺和合金设计,可以进一步提高铸铁的耐磨性能。(3)非金属材料。除了金属材料,一些非金属材料也具备优异的耐磨性能,如陶瓷、聚合物复合材料等。陶瓷材料具有高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性,可用于制造轴承、气门等摩擦件。聚合物复合材料则可以通过纤维增强和耐磨填充剂的方式来提高耐磨性。4.3 耐磨材料的选用原则在选用耐磨材料时,需要考虑多个因素,包括工造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 装备及自动化

11、29作条件(温度、压力、速度等)、摩擦与磨损机制、经济性和可行性等。对于不同的内燃机配件和应用场景,需要综合考虑这些因素,选择具有适当硬度和韧性、良好耐磨性和耐腐蚀性的材料。4.4 耐磨材料的研究进展随着科技的进步,耐磨材料的研究也在不断深入。目前,研究人员通过先进的材料设计、制备技术和表面工程技术等手段,致力于开发出性能更优异的耐磨材料。例如,纳米复合材料、高分子基复合材料等新型耐磨材料正逐渐引起人们的关注。同时,表面工程技术如热喷涂、物理气相沉积等也为提高材料耐磨性提供了新的途径。在未来,耐磨材料的研究将更加注重跨学科合作,结合材料科学、机械工程、化学工程等多个领域的知识和技术,共同推动内

12、燃机耐磨材料的创新与发展。同时,随着环保意识的日益增强,耐磨材料的研究也将更加注重环境友好性和可持续性,以实现内燃机行业的可持续发展。耐磨材料在内燃机领域具有举足轻重的地位,通过不断深入的研究和探索,可以为内燃机行业带来更多性能卓越、环保可持续的耐磨材料,为内燃机的进一步发展贡献力量。5 内燃机配件耐磨性能的改进策略5.1 应用表面工程技术表面工程技术是提升内燃机配件耐磨性能的有效手段之一。通过表面工程技术,可以在配件表面形成一层具有优异耐磨、耐腐蚀性能的覆盖层,从而保护基体材料不受磨损和腐蚀的侵害。(1)热喷涂技术。热喷涂是一种将熔融或半熔融状态的材料喷射到基体表面形成涂层的技术,如图 2所

13、示。可以采用耐磨、耐腐蚀的合金、陶瓷等材料进行热喷涂,形成具有优良耐磨性能的涂层,提高内燃机配件的耐磨性。图 2 热喷涂技术(2)电镀技术。电镀是一种通过电化学方法在基体表面沉积一层金属或合金的技术。通过选择合适的镀层和电镀工艺,可以在内燃机配件表面形成一层均匀、致密的耐磨镀层,提高其表面硬度和耐磨性。5.2 应用材料表面改性技术材料表面改性技术是通过改变材料表面的组织结构、化学成分或物理状态,以提高其耐磨性能的方法。(1)激光熔覆技术。激光熔覆是利用高能激光束将耐磨合金粉末与基体表面迅速熔化并快速凝固,形成与基体呈冶金结合的耐磨涂层。激光熔覆涂层具有硬度高、耐磨性好、热影响区小等优点,可显著

14、提高内燃机配件的耐磨性能。(2)化学转化膜技术。通过特定的化学处理方法,在金属表面形成一层致密的氧化膜或磷化膜等,可以改善表面的耐磨性和耐腐蚀性。这些转化膜可以作为屏障,阻止进一步的氧化和磨损。通过应用表面工程技术和材料表面改性技术,可以有效地提高内燃机配件的耐磨性能。这些技术可以解决内燃机配件在不同工作条件下的磨损问题,延长其使用寿命,提高内燃机的整体性能和经济效益。在未来的研究中,应进一步优化这些技术的工艺参数和涂层设计,以满足内燃机配件日益苛刻的性能要求。6 结束语内燃机配件的磨损机制和耐磨材料研究对于提高和延长内燃机的性能和寿命具有重要意义。通过深入研究磨损机制,可以更好地理解配件磨损

15、的本质和影响因素,为有针对性地解决磨损问题提供理论支持。同时,耐磨材料的研究和应用为内燃机配件的耐磨性能提供了有效的改进策略,延长了配件的使用寿命,提高了内燃机的整体性能。未来,随着科技的不断进步和创新,应该开发出更加优异、环保可持续的耐磨材料和先进的耐磨技术,为内燃机行业的发展作出更大贡献。参考文献1 何云斌,柯庆镝,蔚辰.激光熔覆HSS涂层滚滑动摩擦磨损及热疲劳损伤研究J.合肥:合肥工业大学学报(自然科学版),2023,46(12):1629-1634.2 张杨,高兴宇,党艳阳,等.基于三维图像处理的车刀磨损缺陷检测方法研究J.机床与液压,2023,51(24):43-47.3 贺诗棋,王馨缘,于文峰,等.新一代航空用高Co-Ni钢的摩擦磨损行为J.有色金属工程,2023,13(12):43-50.4 艾根根,姜凤阳,思芳,等.工艺条件对高熵合金及其涂层摩擦磨损性能影响的研究进展J.材料导报,2023,37(增刊2):397-406.

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