表面處理對活塞環(huán)摩擦磨損性能影響的試驗研究

徐國旺

（安慶帝伯格茨活塞環(huán)有限公司，安徽安慶 246005）

活塞環(huán)一般是指嵌入活塞槽溝內(nèi)部的金屬環(huán)，以壓縮環(huán)和機油環(huán)為主。前者的主要作用在于密封燃燒室內(nèi)的可燃混合氣體，后者可用于刮涂氣缸上多余的機油[1]。總體而言，活塞環(huán)是一種具有較大向外擴張變形能力的金屬彈性環(huán)狀制品，一般被放置于某些結(jié)構(gòu)的剖面或環(huán)形槽內(nèi)。在進行循環(huán)和往復(fù)運動時，活塞環(huán)依靠氣體或液體形成的壓力差，會在環(huán)的外圓面以及氣缸、環(huán)本身、環(huán)槽的某一個側(cè)面之間形成密封，進而發(fā)揮相應(yīng)的作用。表面處理是指在基礎(chǔ)材料表面上，經(jīng)由人工作業(yè)，形成一層與基礎(chǔ)材料物理、化學(xué)性能存在差異的新表層[2]。經(jīng)過此種表面處理后，基礎(chǔ)材料的耐蝕性、耐磨性會發(fā)生定向改變，或是在裝飾等方面滿足應(yīng)用方對基礎(chǔ)材料提出的新要求。對活塞環(huán)進行表面處理后，其磨損性能會受到什么樣的影響具備較大的分析價值。本研究以此開展試驗，現(xiàn)圍繞實驗過程及結(jié)果進行分析。

1 現(xiàn)有活塞環(huán)表面處理方法及效果

針對活塞環(huán)進行表面處理時，常用的方法分為三種，包含改性處理、涂覆處理、復(fù)合處理。盡管處理方式不同，但對活塞環(huán)表面摩擦性能造成影響是一致的——可以提高活塞環(huán)表面的摩擦磨損性能。經(jīng)由表面處理實現(xiàn)上述目的的具體原理如下。

（1）通過改性處理，可以提高活塞環(huán)表面的硬度[3]。以此為基礎(chǔ)，能夠在很大程度上降低活塞環(huán)的磨料磨損發(fā)生率。不僅如此，還能夠在活塞環(huán)的工作表面上生成一層硬質(zhì)程度較高的金屬層，以達到提高其耐磨性的目的。

（2）通過涂覆處理，能夠大幅度提高活塞環(huán)表面的儲油能力。以此為基礎(chǔ)，活塞環(huán)被放置于某些設(shè)備結(jié)構(gòu)的剖面及環(huán)形槽特定位置之后，處于高溫工況下的抗磨損性能會得到提升。由于此種表面處理方法同樣能夠在活塞環(huán)表面添加覆層，故可以降低在高溫環(huán)境下干摩擦的發(fā)生率。

（3）對活塞環(huán)進行復(fù)合處理后，能夠適當提高活塞環(huán)的軟度，并通過向其中增添易磨損物質(zhì)的情況，使活塞環(huán)在此種情況下與氣缸接觸時，能夠加速磨損，以達到縮短有效磨合期的目的。

有研究表明，使用電鍍鉻工藝對活塞環(huán)表面進行處理時，硬度提升較為明顯且耐腐蝕性能更強[4]。來自國外Materials today proceedings 期刊的報道（作者為Jayakumar N 等人）給出的結(jié)論為：相較于普通的活塞環(huán)，經(jīng)過電鍍鉻處理的活塞環(huán)的平均使用壽命提升幅度可達到50%以上。除了電鍍鉻處理方式之外，松孔鍍鉻也是一種常用的活塞環(huán)表面鍍鉻處理方法。朱峰等人的研究結(jié)果表明，這種工藝能夠使活塞環(huán)工件表面額外增加呈網(wǎng)狀分布的孔隙結(jié)構(gòu)。以這種形式分布的鉻層質(zhì)量更輕，對活塞環(huán)與內(nèi)燃機儲油潤滑效果的提高更高，且活塞環(huán)的使用壽命能夠進一步延長。還有研究表明，對活塞環(huán)表面進行多種處理（包括鍍鉻處理、噴鉬處理等）后，活塞環(huán)表面的硬度不僅得到提升，摩擦系數(shù)還會顯著降低。不僅如此，表面新增的陶瓷微孔隙及顆粒（受陶瓷復(fù)合處理后新增）有助于提高活塞環(huán)的耐磨性。相關(guān)數(shù)據(jù)為，經(jīng)由陶瓷復(fù)合鍍鉻處理后的活塞環(huán)，在壽命期內(nèi)，表面磨損率是經(jīng)由噴鉬單一表面處理后活塞環(huán)的0.02%。這一夸張的數(shù)據(jù)差表明，在條件允許的情況下，如果對活塞環(huán)表面進行多種形式聯(lián)合處理后，活塞環(huán)表面的抗摩擦磨損性能會大幅度增加。

通過上文所述，可以總結(jié)出一個較為明確的結(jié)論：對活塞環(huán)表面進行處理后，能夠在一定程度上提高活塞環(huán)表面的抗摩擦磨損性能。其中，活塞環(huán)表面鍍鉻處理以及能夠大幅度提高活塞環(huán)表面硬度的鍍PVDWCN 膜的方式在很多文獻中均有提及。但在相同工況下，鍍鉻及PVD 處理后的活塞環(huán)抗摩擦磨損性能的直接效果比對、優(yōu)劣性比對相關(guān)研究數(shù)量較少。文中的研究側(cè)重點集中在此處。

2 表面處理對活塞環(huán)摩擦磨損性能影響的試驗分析

2.1 表面處理作業(yè)的方法選擇及應(yīng)用的設(shè)備及材料

2.1.1 所用設(shè)備及材料

（1）本次試驗所選用的活塞環(huán)試樣全部為常規(guī)的錐面環(huán)。具體規(guī)格參數(shù)為：①由合金鑄鐵構(gòu)成；②環(huán)直徑為114mm，經(jīng)過檢驗后請確定，表面粗糙程度不超過1.9μm；③所選擇與活塞環(huán)配合的缸套材料的主要原材料為硼含量較高的銅鑄鐵，外徑（直徑）為106mm，內(nèi)徑為96mm。與活塞環(huán)相同，缸套的表面粗糙程度同樣不超過1.9μm。

（2）所選用的表面處理工藝為鍍鉻處理及PVD處理，使用的設(shè)備包括渡槽系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)、閉路回收系統(tǒng)、抽風(fēng)除霧系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)。除此之外，還需準備能夠持續(xù)進行烘烤的加熱設(shè)備（必須能夠在300 ℃的高溫環(huán)境下進行連續(xù)烘烤作業(yè)）。對物理氣相沉積設(shè)備（真空機組）的要求為：真空度應(yīng)該至少達到2×10-3Pa。

（3）其他工具設(shè)備及材料：顯微硬度計、電子衍射儀（主要用于進行電子衍射測試，對被檢測物體的表面情況進行肉眼不可見的深度檢測）、鍍鉻液（由鉻酐輔以少量的陰離子構(gòu)成。需注意，鍍液中Cr6+陽離子的存在形式根據(jù)鉻酐濃度的不同而有差異，本實驗中將其控制在400 g/L 以下，主要以鉻酸和重鉻酸的形式存在，溶液pH 值＞6時，以鉻酸為主要存在形式）、圓盤式摩擦磨損試驗機、CV-3100輪廓儀、潤滑油（規(guī)格型號為CH-4）、金屬桿、壓力傳感器等[5]。

2.1.2 工藝方法

（1）鍍鉻處理。按照常規(guī)工業(yè)鍍鉻方式開展，流程及相關(guān)處理作業(yè)要素如下。

①對活塞環(huán)進行鍍鉻處理后，首先會在其表面形成厚度至少達到0.12mm 的一層“硬鉻”。這層硬鉻物質(zhì)的硬度是普通鑄鐵的4.6倍，是經(jīng)過熱處理后鑄鐵的2.5倍。

②在本次試驗開展過程中，如果以時鐘刻度位置，對活塞環(huán)不同位置完成基礎(chǔ)鍍鉻處理后的表面硬度進行檢測后發(fā)現(xiàn)：0點位置的表面硬度介于948～971維氏硬度；3點方向的表面硬度介于944～968維氏硬度；9點方向的硬度介于950～984維氏硬度。達到上述標準，說明活塞環(huán)的硬度已經(jīng)達到標準。

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③對鍍鉻層的外觀進行檢查。由于鍍鉻層是光澤層，顯微組織會在一定程度上呈現(xiàn)出網(wǎng)狀的裂紋，可以改善鍍層的耐磨性。正因如此，完成對活塞環(huán)的鍍鉻作業(yè)之后，活塞環(huán)才能呈現(xiàn)出硬度高、耐磨性強、摩擦系數(shù)低、熔點高、耐腐蝕性強、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點?；诖?，為了使待試驗的鍍鉻活塞環(huán)具備上述特點，研究組成員使用顯微硬度計對活塞環(huán)表面鉻層進行觀察，顯微鏡下鉻層顯示結(jié)果應(yīng)該呈現(xiàn)出均勻分布的網(wǎng)狀裂紋，若不滿足該要求，則應(yīng)更換樣本并重新鍍鉻。

（2）PVD 處理?；诖朔N方式完成PVD 處理作業(yè)之后，要求活塞環(huán)的表面必須形成厚度至少達到5μm 的GrN 鍍層。使用顯微硬度計對該鍍層進行觀察及測量時，得到的結(jié)果為：①不同位置硬度方面：0點方向的表面硬度介于1210～1240維氏硬度；3點方向表面硬度介于1205～1240維氏硬度；9點方向的表面硬度介于1213～1249維氏硬度。PVD 處理活塞環(huán)后，由于活塞環(huán)表面會存在較大的殘余壓應(yīng)力，故在活塞環(huán)工作期間，這種殘余壓應(yīng)力能夠有效抵消摩擦力，同樣能夠使活塞環(huán)的耐磨、耐高溫、化學(xué)性能得到有效提升。除此之外，本研究開展期間，研究組成員使用電子衍射儀對經(jīng)過PVD 處理的活塞環(huán)表面進行電子衍射測試，結(jié)果表明，PVD 處理后形成的GrN 鍍層對減少磨粒磨損、防止摩擦表面黏著磨損方面均具有十分明顯的作用。

2.2 針對活塞環(huán)進行摩擦磨損試驗過程

通過兩種方式完成試驗用活塞環(huán)的制備處理之后，分別將兩種活塞環(huán)放置于配套缸套之上，使用圓盤式摩擦磨損試驗機，重點圍繞活塞環(huán)與缸套之間的摩擦磨損性能進行檢測。相關(guān)注意事項如下。

2.2.1 試驗環(huán)境及檢測設(shè)備參數(shù)調(diào)整

（1）試驗環(huán)境只需保持室溫環(huán)境即可，控制在20～25℃之間。

（2）圓盤式摩擦磨損試驗機的載荷控制在200 N，轉(zhuǎn)速控制在每分鐘200r/min，測試時間控制為1h。

活塞環(huán)表面潤滑程度是否均勻在很大程度上決定本次試驗相關(guān)參數(shù)是否準確。因此，必須基于離心力原理，使?jié)櫥褪紫仍诨钊h(huán)表面均勻分布，之后使活塞環(huán)與缸套接觸面中的潤滑油分布同樣達到上述要求。

2.2.2 試驗開展期間

（1）研究組成員首先使用金屬桿對活塞環(huán)試樣進行控制，目的在于，將活塞環(huán)逐漸調(diào)整至配套缸套試樣的上方，之后對活塞環(huán)進行固定。

（2）在金屬桿的另一端增加應(yīng)力，使載荷傳遞至摩擦副端（載荷區(qū)間應(yīng)該控制在10～4 500 N）。

（3）試驗過程中，可以啟動電機，帶動圓盤進行轉(zhuǎn)動，區(qū)間可以控制在10～700r/min。確定相關(guān)參數(shù)處于上述范圍內(nèi)之后，可以對活塞環(huán)與缸套進行控制，使兩者之間發(fā)生“相對運動”。這樣做的目的在于，能夠模擬出柴油機實際運行期間的工況，之后對摩擦現(xiàn)象進行檢測。具體的檢測過程如下。

①使用壓力傳感器，對摩擦力信號進行采集，務(wù)必得到準確的摩擦系數(shù)隨著時間變化而變化的數(shù)據(jù)，之后制作成趨勢圖。

②可以使用CV-3100輪廓儀，對磨損量進行檢測。具體的檢測方法為：在活塞環(huán)試樣與缸套試樣接觸前，對試樣表面的磨損程度進行檢測，使用的方法為：在活塞環(huán)與缸套表面，沿著法向記錄輪廓尺寸的變化情況，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；二者接觸并運行之后，采用方法同上。將缸套、活塞環(huán)接觸并運行摩擦前后對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行計算，得出磨損過程中缸套、活塞環(huán)體積的變化情況。

2.3 試驗結(jié)果與討論分析

2.3.1 活塞環(huán)摩擦系數(shù)特征分析

本次試驗選擇分析的活塞環(huán)及搭配缸套共計三組，分別為沒有經(jīng)過表面處理的活塞環(huán)、采用常規(guī)鍍鉻工藝進行表面處理的活塞環(huán)、使用PVD 工藝進行表面處理的活塞環(huán)。

（1）沒有經(jīng)過表面處理的活塞環(huán)。①活塞環(huán)與缸套之間的摩擦系數(shù)整體呈現(xiàn)出“波動逐漸下降”的趨勢。②在設(shè)備啟動的前5min 時間內(nèi)，摩擦系數(shù)整體較大（介于0.05～0.07），波動比較??；在設(shè)備啟動5～15min 的時間內(nèi)，摩擦系數(shù)有所下降（介于0.03～0.06），且在該時段內(nèi)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)（中位數(shù)值為0.0375）。

（2）經(jīng)過常規(guī)鍍鉻表面處理的活塞環(huán)。①在前3min，摩擦系數(shù)的波動劇烈程度最高，摩擦系數(shù)均值處于0.05左右；②從第3min 開始，摩擦系數(shù)的波動劇烈程度開始降低，摩擦系數(shù)均值同樣降低，長時間維持在0.03左右。③從第15min 開始，直到1h 的檢測全部結(jié)束，摩擦系數(shù)波動幅度維持穩(wěn)定狀態(tài)（與3～15min 的波動劇烈程度相比幾乎沒有明顯差異），摩擦系數(shù)進一步降低為0.025且長時間保持穩(wěn)定。

（3）經(jīng)過PVD 表面處理的活塞環(huán)。在持續(xù)1h 的時間內(nèi)，以第10min 作為分割線。前10min 內(nèi)，摩擦系數(shù)的中位數(shù)為0.035，之后逐漸降低至30.025左右。進入第10min 開始，直到1h 時間全部結(jié)束，摩擦系數(shù)始終維持在0.025。前10min 的摩擦系數(shù)波動上限為0.0375，下限為0.0225；10min～1h 內(nèi)，摩擦系數(shù)波動上限與前10min 相比沒有出現(xiàn)任何變化，下限降低至0.0175。

2.3.2 摩擦表面的形貌特征以及磨損量相關(guān)分析

（1）對持續(xù)1h 的檢測過程進行動態(tài)檢測后，得出表面無處理的活塞環(huán)的摩擦磨損性能的變化趨勢為：首先經(jīng)歷磨合磨損期，其次進入穩(wěn)定磨損期，最后進入劇烈磨損期。在磨損的初級階段，波動十分劇烈，之后進入相對平穩(wěn)的磨損期（此期間內(nèi)，活塞環(huán)的性能保持穩(wěn)定）。但隨著磨損程度的加劇，活塞環(huán)與缸套表面材料的損失程度越來越大，磨損劇烈程度越來越高，機械效率會明顯下降。因此，進入后期，磨損系數(shù)均值雖然沒有明顯提升，但波動幅度會再次增大，直到活塞環(huán)最終完全失效。

（2）表面經(jīng)過鍍鉻處理的活塞環(huán)所需的磨合穩(wěn)定時間低于沒有經(jīng)過表面處理的活塞環(huán)，但向最終穩(wěn)定狀態(tài)進行過渡的過程會持續(xù)10～15min，此期間的摩擦系數(shù)雖然有所降低，但上下波動劇烈程度同樣沒有達到最穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）表面經(jīng)過PVD 處理的活塞環(huán)在整體摩擦性能方面的優(yōu)勢極大，除了前10min 短時間內(nèi)進行摩擦磨合之外，之后均保持穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

根據(jù)文中研究數(shù)據(jù)可知，表面沒有經(jīng)過任何處理的活塞環(huán)，從開始投入使用到最終保持穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，過渡時間較長，且全過程的平均摩擦系數(shù)、每段時間的摩擦系數(shù)均處于較高水平，摩擦系數(shù)上下波動范圍極大。表面經(jīng)過常規(guī)鍍鉻處理的活塞環(huán)綜合摩擦性能優(yōu)于未經(jīng)任何處理的活塞環(huán)，但需要15min 左右的時間對摩擦系數(shù)進行穩(wěn)定。表面經(jīng)過PVD 處理的活塞環(huán)，除了前10min 的短暫波動之外，全過程摩擦系數(shù)均保持穩(wěn)定狀態(tài)?？傮w而言，PVD 處理后的摩擦性能優(yōu)于常規(guī)鍍鉻處理，常規(guī)鍍鉻處理優(yōu)于未處理。