活塞環耐磨涂層及其摩擦磨損機理研究進展

李 輝 孫日超 魏 琪 栗卓新

北京工業大學，北京，100124

0 引言

內燃機節能減排問題已經成為全球焦點，美國最近提出要降低內燃機40%燃油消耗的指標［1］。降低燃油消耗就意味著要進一步降低內燃機摩擦損耗并有效提高燃燒效率。對于汽車發動機來說，活塞環－缸套摩擦副產生的磨損在整機摩損中占最大比例(40%)［2］，且該摩擦副中活塞環的磨損遠遠大于缸套的磨損，因而研究活塞環的摩擦磨損及其表面防護問題有著十分重要的意義。

由于活塞環工作條件苛刻，單一材料難以勝任，故表面涂層及其他表面強化技術被逐漸應用于活塞環。最常見的涂層是電鍍硬鉻涂層，它技術成熟，綜合性能好，但電鍍過程嚴重污染環境，尋求替代鍍硬鉻的技術勢在必行。熱噴涂、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)等涂層技術也正逐步得到應用。其中，熱噴涂技術工藝靈活、涂層均勻，與涂層基體結合好，生產效率高，在活塞環上顯示了良好的應用前景。國內外相關研究單位在這一方面開展了大量工作，并取得了一定的進展，但在活塞環表面高性能耐磨涂層開發的一些基礎研究上還不夠深入，對活塞環與缸套之間摩擦磨損機理的一些問題還有待深刻揭示。

1 活塞環工況及其表面工程技術

1.1 復雜的工況條件及其性能要求

活塞環的工況條件極其復雜:一方面，它要長時間在較高溫度下工作;另一方面，壓縮過程中，活塞環要能對燃燒室起有效密封作用，同時還承受巨大的氣體壓力及來自曲柄的側推力。活塞環與缸套在摩擦磨損過程中形成的磨屑及不完全燃燒形成的積碳，會產生異質顆粒，使摩擦副形成三體摩擦，燃油燃燒產生的SO2、SO3等也會帶來腐蝕磨損的問題。此外，由于活塞環在上下止點附近處于邊界潤滑狀態，故涂層將與缸體材料發生劇烈的磨損［3］。上述苛刻的工作環境決定了活塞環及其涂層材料的特殊性，即要求活塞環基體及涂層材料具有良好的耐磨性，并且強度高、韌性好，能在200～300℃下長期承受各種載荷而不發生疲勞斷裂。

1.2 活塞環涂層技術及相關材料

活塞環基體材料經歷了由普通灰鑄鐵、高合金鑄鐵、球墨鑄鐵到鋼的變化歷程。鑄鐵耐磨性好但韌性較差，球墨鑄鐵韌性好但耐磨性差，鋼能滿足現代發動機活塞環強度高、韌性好的要求。目前，汽油機中已大量采用鋼制環，柴油機活塞環也將逐漸被鋼制環所替代。但是，鋼制環耐磨性較差，通常需要采用氮化、CVD、PVD、大氣等離子噴涂(APS)、高速火焰噴涂(HVOF)等表面改性或表面涂層技術來改善。除此之外，輝門公司還將復合鍍技術(鉻基陶瓷復合鍍CKS、鉻－金剛石復合鍍GDC)引入活塞環的生產中，所制備的涂層具有優異的耐刮擦性能，特別適用于高輸出比的柴油機。

氮化活塞環的耐磨性無法滿足某些高耐磨場合的需求。采用CVD、PVD方法在材料表面沉積一層幾微米厚的薄膜能夠起到減磨作用，常用的薄膜材料有類金剛石 DLC及 TiAlN、CrN、TiN、BN、SiN等氮化物［4］。但氣相沉積法制備的薄膜普遍偏薄，在承載高載荷時很難滿足使用要求，因此，工業界研究重點在熱噴涂涂層上。

APS技術在制備耐磨、耐高溫涂層方面具有一定優勢，尤其適合噴涂熔點較高的金屬、非金屬材料。在活塞環熱噴涂涂層的開發研究上，Mo及Mo基復合涂層是APS涂層研究的焦點，研究者比較關注的是涂層摩擦學特性與噴涂粉末(種類、粒度、形貌)、噴涂工藝之間的關系。純Mo涂層［5-7］的研究結果表明，其耐黏著磨損能力要優于電鍍鉻涂層，但是耐磨料磨損性能要比鍍鉻層差。

在純 Mo粉末中加入黃銅、Al－Si、NiCrBSi等耐磨相后［8-9］，制備的Mo基復合涂層不僅保留了純Mo涂層耐刮擦性能好的優點，還可有效地提高耐磨性。此外，Cr3C2、WC、Cr2O3、Al2O3等純陶瓷耐磨涂層也是研究的熱點之一，但陶瓷材料的本征脆性在一定程度上限制了它們的應用，如Cr2O3涂層的耐磨性遠高于鍍鉻涂層［10］，但涂層一旦出現裂紋，磨損率會快速增加［6］。美國專利US，6887585 B2［11］和 US，RE39070E［12］中的活塞環耐磨涂層均包含Mo及上述材料，涂層具有優異的耐磨、耐刮擦性能。Mo的作用體現在兩方面:一方面，Mo在熱噴涂過程或摩擦磨損過程中會發生氧化，形成MoO2薄膜，在摩擦副表面能起到自潤滑作用［9］;另一方面，Mo涂層具有優異的耐刮擦性能。

除APS技術外，HVOF技術也在活塞環涂層上得到較為廣泛的應用。與 APS技術相比，HVOF噴涂粒子溫度低、飛行速度快，因此得到的涂層的結合強度高、孔隙率更低，在耐磨場合更有優勢。在HVOF噴涂用粉末方面，對WC－Co、Cr3C2－NiCr、氧化物陶瓷和復合粉末的研究居多。較之于電鍍鉻涂層，HVOF制備的WC－Co和Cr3C2－NiCr等涂層具有更小的摩擦因數和更好的耐磨性能［7，13-17］。

為了提高涂層的摩擦學性能，減小摩擦因數，自潤滑復合涂層也成為關注的熱點，Landa等［18］對活塞環用TiOx自潤滑涂層進行了多年研究，發現在涂層制備過程中，TiOx可能會形成 Magnéli相，該相存在晶體學切變面，在800℃下具有良好的潤滑性，有望成為替代活塞環現有涂層的選擇之一。此外，在噴涂材料中添加BaF2/CaF2、MoS2、石墨、六角形氮化硼、聚四氟乙烯等潤滑相也能有效地減小摩擦副之間的作用力，減小摩擦因數，專利 US，6887585 B2［11］、US0069724Al［19］所介紹的涂層中，均加入了少量的石墨、六角形氮化硼、聚四氟乙烯、Sn、石墨等自潤滑相。但是，大多數潤滑相的耐磨性差，在涂層中含量不易過多。

此外，粉末制備方法及粉末粒度也是熱噴涂涂層設計時應考慮的因素，如Rastegar等［7］發現，采用包覆粉制備的Cr3C2－NiCr涂層耐磨性好于燒結粉制備的涂層。Liu等［16］發現，在同種工藝(HVOF或APS)條件下，粉末大小雖然不是決定耐磨性高低的主要因素，但是對耐磨性仍存在一定的影響。

綜上所述，熱噴涂金屬陶瓷復合涂層在活塞環表面有較好的發展前景，目前在歐美國家活塞環市場中，已有采用APS、HVOF技術制備的金屬陶瓷涂層，而國內市場由于成本原因，絕大多數商業化的產品仍是采用電鍍硬鉻涂層，APS、HVOF制備的活塞環涂層僅處于實驗室階段。

2 活塞環失效形式及摩擦磨損研究現狀

2.1 活塞環常見的失效形式

活塞環使用中常見的失效形式主要有磨合期磨損、疲勞斷裂、膠合(嚴重擦傷、拉缸)、異常磨損等。

在磨合期階段，材料處于二體磨損狀態，摩擦副表面并沒有完全被潤滑劑分開，兩表面微凸體相互接觸，隨著磨合的進行，接觸的微凸體逐漸被磨平，磨削量逐漸降低，摩擦因數減小［20-21］。Hamilton等［22］認為磨合期的磨損特點與油膜厚度的變化情況有關，并證實隨磨合期進行，潤滑油膜逐漸建立，磨削量開始減小。Ma等［21］在研究磨合期的磨損量時發現，前一小時的磨損量是隨后兩小時的12倍。因此，磨合期的磨損是不可忽視的。

抗擦傷性能往往與摩擦副雙方的材料相關。從研究結果來看，為提高涂層的抗擦傷性，一般通過添加 Mo 元素來提高耐擦傷性能［3，5，7］，不同粉末材料及制備方法對涂層的耐擦傷性影響很大。Herbst－ Dederichs［23］研究發現，復合電鍍層、APS涂層、HVOF涂層、PVD涂層的耐擦傷性能逐漸增強。Landa等［18］發現TiOx涂層的抗擦傷性甚至要優于Mo基復合涂層。

除擦傷外，活塞環磨損失效的形式還包括異常磨損、疲勞斷裂等。據統計，活塞環總磨損量的90%往往是幾小時的異常磨損造成的［24］。目前，針對異常磨損理論的研究還比較少。Chun［25］對活塞環缸套磨損量進行實時監控，發現發動機運行1583h后磨損情況發生突變，這是由于活塞環磨損量不斷增大，使得活塞環閉口間隙變大、油耗量增多，該現象在實驗中已得到證實。閉口間隙增大會引起竄氣及油耗增大，使磨損情況發生突變，這可能是異常磨損產生的原因。疲勞磨損(裂紋擴展)往往與活塞環及涂層韌性相關。在對涂層進行臺架測試時，Rastegar等［7］發現韌性好的涂層抗裂紋擴展(抗疲勞磨損)的能力明顯提高。

氧化也是活塞環磨擦磨損中值得關注的問題之一。有研究結果指出，鑄鐵缸套與Mo環對磨后，鑄鐵表面發生明顯的氧化層增厚現象，其氧化產物磨損脫落后有可能充當磨料，加劇涂層的磨料磨損［26］。

2.2 摩擦磨損研究現狀

國外學者在活塞環涂層材料、磨損機理方面開展了很多系統研究，國內學者在這一方面的研究起步比較晚。張家璽等［24］指出，活塞環摩擦磨損問題極其復雜，研究的關鍵是掌握各種磨損機理發生的條件、特征和變化規律。這方面的研究主要針對滑動速度、載荷、工作溫度等工況參數，以及摩擦副材料、表面形態、潤滑狀況等因素展開。

大量工作集中關注了摩擦磨損試驗中的滑動速度、加載力、溫度等工藝參數的影響，但不同研究所得出的結論不盡相同(這可能與實驗條件的不同有關)。如Hwang等［9］發現，摩擦副雙方的磨損率隨載荷增大而增大，而摩擦因數卻在減小。Murat等［27］發現，摩擦副雙方磨損率與摩擦因數都隨載荷增大而增大。宋炳珅等［28］認為，載荷和速度對摩擦力的影響較小，溫度對摩擦磨損有顯著影響，這點與白敏麗等［29］的結論相同。

涂層及其表面形貌能影響兩表面微凸體的接觸，進而影響涂層耐磨性。Liu等［16］在研究涂層的耐磨性能時發現，硬度、孔隙率與耐磨性高低有直接關聯。Johansson等［30］發現，表面粗糙度對摩擦磨損的影響比材料更大，這一結論也得到了Jang等［31］的支持，后者進一步發現表面粗糙度對軟表面耐磨性的影響比硬表面大。Sui等［32］詳細分析了表面粗糙度對摩擦磨損的影響，發現表面粗糙度在減小到一定水平時可以明顯減小磨損量，且表面形貌的方向參數對磨損量也有影響。因此，Johansson等［30］認為有必要全面系統開展三維表面形貌對摩擦磨損性能影響的研究工作。

長久以來，活塞環的潤滑狀態及其對摩擦磨損性能的影響都是研究熱點。該研究始于20世紀30年代，經過半個世紀的發展，學者普遍認識到活塞環的潤滑狀態與摩擦磨損直接相關，活塞環的摩擦磨損主要發生在油膜厚度較小的邊界潤滑、混合潤滑條件下。在不同潤滑條件下，磨損機制往往要發生轉變。如 Karamisb等［6］發現，Al－Mo－Ni涂層在油摩擦條件下只發生輕微的磨料磨損，在干摩擦條件下出現較嚴重的黏著磨損。Uyulgan等［5］發現，在酸性環境與大氣環境下，涂層的磨損機制發生了明顯的轉變。

綜上所述，盡管對活塞環摩擦磨損開展了大量工作，但目前研究對活塞環磨損機理的分析還不能量化，在磨合期理論和異常磨損的研究上不夠系統，在分析各種因素對活塞環摩擦磨損的影響上不夠全面和深入，因此，難以總結出活塞環摩擦磨損機理及機理相互轉變的原因。

3 活塞環摩擦磨損裝置

在活塞環摩擦磨損研究中，摩擦磨損裝置的選用和開發具有舉足輕重的作用。通常來說，活塞環涂層的性能需要在專門的臺架試驗機上進行測試和評價，但由于實驗成本昂貴，只有少量商業化活塞環廠商才采用這一方案。實驗室的研究大多采用成熟的摩擦磨損試驗機或自行研制的摩擦磨損試驗機。

從運動形式上看，摩擦磨損試驗機有旋轉、往復、往復旋轉復合運動形式。Karamisb 等［6］、Hwang等［9］選用旋轉運動形式的實驗機進行摩擦磨損模擬測試。由于實際活塞環在缸套表面做上下往復運動，采用線性往復式比旋轉式試驗機更能準確反映活塞環缸套摩擦副摩擦磨損情況。文獻［5，7，27，30］采用線性往復試驗機進行實驗。

線性往復摩擦磨損實驗標準有ASTM D5707，DIN51834 －1、DIN51834－2、DIN51834－3等系列。另外，美國材料試驗協會ASTM已經公布了適用于活塞環缸套摩擦磨損的標準 G181－11［33］。該標準主要研究活塞環上止點處的摩擦磨損性能，并詳細指出實驗步驟、方法，認為一般應選擇活塞環－缸套接觸寬度的5～10倍為試驗沖程。另外，標準還詳細闡述了如何進行磨合期實驗及潤滑油選擇等問題。

在線性往復試驗機中，SRV(DIN51834)高溫摩擦磨損試驗機是最常用的實驗裝置。實驗中需要準確控制載荷，潤滑油的種類、黏度、添加量、溫度，以及試驗機的沖程大小、頻率、滑動速度等變量，另外需要監控摩擦力、油溫、載荷甚至速度的變化。

很多研究者采用自行研制的摩擦磨損裝置進行試驗。由于實際活塞環與缸套是環－曲面接觸，采用環狀活塞環與缸套材料進行實驗的越來越多。任旻等［34］設計了一種接近臺架試驗的裝置。施洪生等［35］發明了一種可快速加熱潤滑油、監控油溫油膜厚度、判斷活塞環缸套潤滑情況的裝置。合肥工業大學自主研制了往復式發動機缸套－活塞環摩擦磨損實驗臺［36］。

4 結論

①為降低活塞環磨損，對活塞環表面處理已成為共識，替代電鍍鉻涂層的涂層中，APS、HVOF涂層具有較好的應用前景。②熱噴涂材料研究的主流對象是復合粉末，其中，Mo元素及其混合涂層是研究重點。HVOF制備的金屬陶瓷涂層有望成為未來發展趨勢。③活塞環摩擦磨損研究進展緩慢，不同磨損形式的相互作用關系復雜，磨合期磨損、異常磨損分析起來困難。另外，很少的研究能綜合考慮實驗參數的影響，不同學者得出的磨損規律有時相互沖突，系統、全面、深入地開展活塞環磨損機理研究應是未來發展的趨勢。④活塞環摩擦磨損測試趨向采用線性往復運動裝置，且模擬實驗標準化加強，自行研發裝置增多。

［1］李鑫顏.美國推出燃油經濟性新標準［N］.商用汽車新聞，2011-08-08(28).

［2］PriestM，Taylor CM.Automobile Engine Tribologyapproaching the Surface［J］.Wear，2000，241(2):193-203.

［3］Christian L F.Numerical Simulation of Piston Ring Lubrication ［J］. Tribology International， 2008，41(9/10):914-919.

［4］Cho D H，Lee Y Z.Evaluation of Ring Surfaces with Several Coatings for Friction，Wear and Scuffing Life［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China(English Edition)，2009，19(4):992-996.

［5］Uyulgan B，Cetinel H，Ozdemir Is，et al.Friction and Wear Properties of Mo Coatings on Cast－iron Substrates［J］.Surface and Coatings Technology，2003，174(17/18):1082-1088.

［6］Karamisb M B，Yildizli K，Cakirer H.An Evaluation of Surface Properties and Frictional Forces Generated from Al－ Mo － Ni Coating on Piston Ring［J］.Applied Surface Science，2004，230(1/4):191-200.

［7］Rastegar F，Richardson D E.Alternative to Chrome:HVOF Cermet Coatings for High Horse Power Diesel Engines［J］.Surface and Coatings Technology，1997，90(1/2):156-163.

［8］劉穩善，張天明，惠記莊.活塞環表面等離子噴涂強化及耐磨性能的研究［J］.柴油機，2004(5):38-40.

Liu Wenshan，Zhang Tianming，Hui Jizhuang.Research on Plasma Piston Ring Surface about Its Plasma Spraying and Wear Resistance［J］.Diesel Engine，2004(5):38-40.

［9］Hwang B C，Lee SH，Ahn JH.Correlation of Microstructure and Wear Resistance of Molybdenum Blend Coatings Fabricated by Atmospheric Plasma Spraying［J］.Materials Science and Engineering A，2004，366(1):152-63.

［10］李秀山，吳華杰，張寶歡.活塞環與氣缸套摩擦副采用噴涂陶瓷材料研究［J］.天津大學學報，2001，34(4):503-507.

Li Xiushan，Wu Huajie，Zhang Baohuan.Study on Frictional Kitof Piston Ring and Cylinder Coated with Ceramic Material［J］.Journal of Tianjin University，2001，34(4):503-507.

［11］Christian H D.Thermally Applied Coating ofMechanically Alloyed Powders for Piston Ring:US，6887585 B2［P］.2005-05-03.

［12］Stong T C，Smith T J，Einberger P J.Wear Resistant Coating for Piston Rings:US，RE39070E［P］.2006-08-18.

［13］Legg K O，Graham M，Chang P，et al.The Replacement of Electroplating［J］.Surface and Coatings Technology，1996，81(1):99-105.

［14］Wojciech Z，Stefan K.Scuffing Resistance of Plasma and HVOF Sprayed WC12Co and Cr3C2－25(Ni20Cr)Coatings［J］.Surface and Coatings Technology，2008，202(18):4453-4457.

［15］Li X M，Yang Y Y，Shao TM，etal.ImpactWear Performances of Cr3C2－NiCr Coatings by Plasma and HVOF Spraying［J］.Wear，1997，202(2):208-214.

［16］Liu Yourong，Fischer T E，Dent A.Comparison of HVOF and Plasma－sprayed Alumina/Titania Coatings Microstructure，Mechanical Properties and Abrasion Behavior［J］.Surface and Coatings Technology，2003，167(1):68-76.

［17］樂有樹，劉敏，李建雄，等.Cr3C2－NiCr涂層的工程化應用研究［J］.稀有金屬材料與工程，2010，39(增1):448-450.

Yue Youshu，Liu Min，Li Jianxiong，et al.Study on Application of the Cr3C2 － NiCr Coating［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2010，39(S1):448-450.

［18］Landa J，Illarramendi Is，Kelling N，et al.Potential of Thermal Sprayed TinO2n－1－coatings for Substituting Molybdenum － based Ring［J］.Industrial Lubrication and Tribology，2007，59(5):217-229.

［19］Ryou O.Spraying Piston Ring:US，0069724Al［P］.2005-03-31.

［20］溫詩鑄.摩擦學原理［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［21］Ma Z，Henein N A，Bryzik W，et al.Break － in Liner Wear and Piston Ring Assembly Friction in a Spark Ignited Engine［J］.Tribology Transactions，1998，41(4):497-504.

［22］Hamilton GM，Moore SL.First Paper:Measurementof the Oil－film Thickness between the Piston Rings and Liner of a Small Diesel Engine［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering，1974，188(1):253-261.

［23］Herbst－ Dederichs C.Thermal Spray Solutions for Diesel Engine Piston Rings［C］//Thermal Spray 2003:Advancing the Science and Applying the Technology.Orlando，Florida，USA，2003:129-138.

［24］張家璽，高群欽，朱均.內燃機缸套－活塞環摩擦學研究回顧與展望［J］.潤滑與密封，1999(5):26-29.

Zhang Jiaxi，Gao Qunqin，Zhu Jun.The Summary of Study of Cylinder－piston Rings Tribopairs in Internal Combustion Engines［J］.Lubrication Engineering，1999(5):26-29.

［25］Chun SM.Simulation of Engine Life Time Related with Abnormal Oil Consumption［J］.Tribology International，2011，44(4):426-436.

［26］Becker E P，Ludema K C.A Qualitative Empirical Model of Cylinder Bore Wear［J］.Wear，1999，225/229(1):387-404.

［27］Murat K，Mesut D，Ferit F.Friction and Wear Studies between Cylinder Liner and Piston Ring Pair U-sing Taguchi Design Method［J］.Advance in Engineering Software，2011，42(8):595-603.

［28］宋炳珅，王文中，王慧，等.發動機缸套活塞環摩擦磨損特性試驗研究［J］.潤滑與密封，2004(3):29-32.

Song Bingshen，Wang Wenzhong，Wang Hui，et al.Study of Friction and Wear Characteristics of Cylinder Liner Piston Ring in Engine［J］.Lubrication Engineering，2004(3):29-32.

［29］白敏麗，丁鐵新，董衛軍.活塞環－氣缸套潤滑摩擦研究［J］.內燃機學報，2005，23(1):72-76.

BaiMinli，Ding Tiexin，DongWeijun.A Study on Lubrication and Friction on Piston－ring Pack in ICEngine［J］.Transactions of CSICE，2005，23(1):72-76.

［30］Johansson S，Nilsson PH，Robert O，et al.Experimental Friction Evaluation of Cylinder Liner/Piston Ring Contact［J］.Wear，2010，271(3/4):625-633.

［31］Jang JH，Joo B D，Lee JH，et al.Effect of Hardness of the Piston Ring Coating on the Wear Characteristics of Rubbing Surfaces［J］.Metals and Materials International，2009，15(6):903-908.

［32］Sui P C，Ariga S.Piston Ring Pack Friction and Lubrication Analysis of an Automotive Engine Using a Mixed Lubrication Model［C］//International Pacific Conference on Automotive Engineering.Phoenix，Arizona，USA，1993:931937.

［33］ASTM.G181 －11 Standard Test Method for Conducting Friction Tests of Piston Ring and Cylinder Liner Materials Under Lubricated Conditions［S］//ASTM.West Conshohocken，PA，USA，2011:10.1520/G0181-11.

［34］任旻，張培鋆，孫灼，等.活塞環－缸套摩擦磨損模擬實驗方法研究［J］.北京工業大學學報，2002，28(1):62-65.

Ren Min，Zhang Peijun，Sun Zhuo，et al.Research on Simulation Experiment Method of Piston Ring and Cylinder Liner Friction and Wearing［J］.Journal of Beijing University of Technology，2002，28(1):62-65.

［35］施洪生，郭炎，高曉軍，等.缸套/活塞環摩擦學性能試驗機的設計研究［J］.潤滑與密封，2004(3):76-79.

Shi Hongsheng，Guo Yan，Gao Xiaojun，et al.Development of Tribo－tester for Tribological Studies of Piston Ring/Bore Pair［J］.Lubrication Engineering，2004(3):76-79.

［36］劉焜，劉小君，桂長林.內燃機活塞環－缸套擦傷的理論分析與試驗模擬［J］.內燃機學報，1999，17(2):198-201.

Liu Kun，Liu Xiaojun，Gui Changlin.Experimental Simulation and Theoretical Analysis on Scuffing Failure of Piston Ring Cylinder Liner［J］.Transactions of CSICE，1999，17(2):198-201.