抗微动损伤的表面工程设计

抗微动损伤的表面工程设计*朱旻昊，徐进，周仲荣（西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，成都 610031）摘 要：针对内燃机车16V280ZJ型柴油机连杆的微动损伤，在失效分析和接触力学分析的基础上，进行了表面工程技术可行性方案的比较，确定了固体润滑涂层的表面处理方案。

研究采用了极图法，对粘接MoS2、粘接石墨、粘接PTFE和电刷镀Pb/Ni等4种涂层的性能和微动特性进行了定量比较，结果表明，粘接MoS2涂层具有最佳的抗微动损伤特性。

实际应用表明，经表面工程设计选择的涂层显著提高了连杆部件的使用寿命。

关键词：微动损伤；微动磨损；微动疲劳；表面工程设计；固体润滑涂层中图分类号：TG17，TH16文献标识码：A文章编号：1007–9289(2007)06–0005–06 Alleviating Fretting Damages Through Surface Engineering DesignZHU Min-Hao, XU JIN, ZHOU Zhong-rong(Key Lab. of Advanced Technologies of Materials (Chinese Education Ministry), Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)Abstract: Based on the failure and contact mechanics analyses, the feasibility programs of surface engineering treatment for alleviating fretting damages of connecting rod of 16V280ZJ diesel engine of locomotive were compared. The program of surface treatment using solid lubrication coating was adopted. In this investigation, a method of measuring pole figures was used to compare the properties and fretting characteristics of four coatings (bonded MoS2, graphite, PTFE coatings and electric brush plating Pb/Ni coating) quantitatively. The results showed that the bonded MoS2 coating presented the best performance of alleviating fretting damages. The practical application result indicated also that the service life of connecting rod was improved greatly by the MoS2 coating.Key words: fretting damage; fretting wear; fretting fatigue; surface engineering design; solid lubricant coating0 引言微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极小的相对运动（位移幅度一般为微米量级）[1~3]。

微动现象广泛存在于航空、航天、交通工具、核反应堆、电力、通讯和人工植入器械等领域，是关键零部件失效的主要原因之一，其损伤被称为现代工业的癌症。

微动造成的损伤可致使接触面间发生表面磨损，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、噪声增加或形成污染源；收稿日期：2007–09–14基金项目：*国家自然科学基金(50521503)、教育部重点项目(106137)、教育部优秀博士论文基金（200536）和教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-04-0885）资助。

作者简介：朱旻昊(1968–)，男（汉），上海人，博士、博导、教授。

也可加速裂纹的萌生与扩展，使构件的疲劳寿命大大降低，造成一些灾难性的事故[4,5]。

如何减轻微动损伤，一直是广大研究人员和工程部门关注的焦点，表面工程技术被公认为减缓微动损伤的有效措施，但表面工程技术种类繁多，而且微动损伤机理也有很大差异，再加上实际的微动现象十分复杂，这使得如何有效利用表面工程来减缓微动损伤成为一个较复杂的系统工程[6]。

文中针对铁道内燃机车关键部件的微动损伤，介绍了一种作者在实践中建立起的抗微动损伤表面工程设计方法，以达到对其它工业领域的抗微动损伤提供借鉴作用的目的。

1 失效分析和接触力学分析[7]连杆是内燃机车柴油机的关键部件，它将活塞的往复直线运动转变成曲轴的回转运动，连杆的抗疲劳性能和使用寿命对机车安全运行和可靠性极6 中 国 表 面 工 程 2007年为重要。

我国内燃机车240型和280型柴油机的连杆体与连杆盖采用齿型配合再加螺栓紧固连接，一直以来，连杆大端短叉处切口与连杆盖的齿型配合面间发生严重损伤，导致构件早期失效，是严重危及行车安全的隐患，也增加了大量维修费用。

图1(a)(b)示出了16V280ZJ 型柴油机连杆齿型配合面的损伤形貌，失效分析[7]表明：齿面有明显塑性变形，表面有较大尺寸的颗粒剥落，齿面呈现出严重的凹凸不平，齿面相互接触区域越接近齿根，损伤程度越严重(图l(a))；因接触齿面受螺栓预紧力、爆发压力和惯性力的共同作用，剖面局部齿面产生严重塑性变形，接触齿根顶端出现明显的台阶，疲劳裂纹存在于正齿面接近齿根一侧，其扩展方向大致与齿面微滑方向垂直(图l(b))。

（a ）齿表面（b ）剖面图1 连杆齿型配合面的损伤形貌Fig.1 The damage surface morphologies of connecting rod gears: (a)surface (b)cross-section动力学分析表明，配合面承受的法向压力和切向力在曲轴转角从300o ~460o 的变化范围内出现波动，其幅值分别为7×104 N 和1.25×105 N [7]。

在此基础上，按平面问题采用接触单元方法对接触应力和相对位移进行了计算。

应力分析表明，在整个工作循环内，齿面的正应力和剪切应力随连杆的摆动呈现周期性变化，接触区中间正应力较高，而切应力则为接触边缘较高，类似于球/平面接触模型的Hertz 应力分布。

对各啮合齿面接触区域相对微滑位移的计算表明，各齿面相对位移不同，最大值约为22 µm （即位移幅值为±11 µm ）[7]。

进一步对连杆材料42CrMo 钢（调质处理，硬度不小于320HB ）进行了微动磨损试验（试验参数为：法向载荷F n =200、400和600 N,位移幅值D =±(2~40) µm ，频率f =10 Hz ；对磨副为直径40 mm 的GCr15钢球），建立了42CrMo 钢的运行工况微动图，如图2所示。

可以发现，计算获得的微动运行位移幅值正好处于42CrMo 钢运行工况微动图的混合区位置。

由于实验室模拟试验和实际工况的重要区别在于系统接触刚度不同，因此微动运行的相对位移不能直接对比。

但从微观损伤的形态来看，剖面特征符合典型的混合区特征（即损伤表现为裂纹），可以推断实际工况的微动运行于混合区，即微动裂纹最容易形成和扩展的区域。

由于所受载荷在切向和法向均交替变化，因此，是一种复杂模式的微动疲劳。

图2 42CrMo 钢运行工况微动图Fig.2 Fretting graph of the 42CrMo steel during operation2 抗微动损伤的措施齿冠500µm500µm裂纹齿根 接触边接触区位移幅值/µm法向载荷/N第6期朱旻昊等：抗微动损伤的表面工程设计7工业微动现象十分复杂，影响因素多[8]，除受微动运行参数影响外，还与环境、应用要求等密切相关，Campbell[9]、Fu等[9]和一些研究者[1, 10~14]提出了不同的减轻微动损伤的方法与原则。

在此基础上，作者结合微动图理论[3]，将减缓微动损伤的措施总结为以下4个方面[6]：2.1 消除微动滑移区和混合区由于材料磨损与裂纹形成主要在滑移区和混合区，而部分滑移区的损伤较小。

具体可采取：①在位移幅值确定的前提下增加正压力，微动区域将从滑移区、混合区向部分滑移区转化，但应注意压力增加接触应力加大，也增大了裂纹萌生和扩展的几率；②增加切向刚度，使表面对弹性变形的承受能力增强，部分或全部微动振幅可被接触表面的弹性变形吸收，使微动处于弹性调节状态，即处于部分滑移区；③也可通过结构设计改变接触区的压力分布、接触模式、接触刚度等，从而改变微动区域，使之进入部分滑移区。

2.2 增加表面接触强度利用表面工程的各种先进技术，使材料表面获得特殊的成分、组织结构和性能，有效改善材料的耐磨和抗疲劳性能。

2.3 降低摩擦因数降低摩擦因数（摩擦力）是减轻微动损伤的有效措施。

通常可通过润滑的方式来实现，其效果主要取决于润滑介质的耐久性。

一些表面处理后，材料表面的摩擦因数会降低，其机理往往随表面处理技术的不同而不同，固体润滑涂层是最常用的表面处理方法之一。

2.4 适当的选材与材料匹配接触副材料的合理选择与匹配对减缓微动损伤起重要作用：在满足结构强度的前提下，选择柔性较好、弹性变形量大的材料能有效吸收相对滑动，减轻表面损伤；选择硬度大、疲劳强度高的材料能有效减轻微动磨损及抑制裂纹的萌生和扩展；适当的材料匹配，可使微动初期的少量第三体产生自润滑，从而减轻微动损伤。

以上措施中，无论是增加切向刚度、增加表面接触强度、降低摩擦因数，还是提供特殊的匹配材料，都可与现代表面工程技术有机结合在一起。

3 表面工程设计为了更有效地发挥表面工程技术的应用效果，确定具体的技术方案，需要进行系统的表面工程技术设计[15]，其主要过程包括：表面工程技术的选择、表面层材料设计、表面层组织结构设计、表面层工艺设计和技术经济分析等。

连杆齿型配合面的裂纹形成是微动疲劳的结果，为减缓微动损伤，需从上述4方面的措施入手考虑。

首先，考虑改变接触区的正压力，即改变紧固螺栓预紧力，可以改变微动运行区域，但这势必增大螺栓的疲劳应力，增大螺栓疲劳失效的几率，故不宜采用。