內燃機車奧貝球鐵缸套與活塞環磨損故障

褚春雷

摘要：通過對ADI的微觀組織和材料性能進行分析，指出了其造成活塞環磨損的原因，同時通過對現代活塞環表面處理技術的總結，提出了減少內燃機車活塞環磨損的方法。

關鍵詞：ADI氣缸套?;活塞環磨損;陶瓷活塞環

1.問題提出

奧貝球鐵（Austempered?DLlctile?lron，簡稱ADI）是近代發展起來的新型球鐵材料，它是球墨鑄鐵經過奧氏體等溫淬火后獲得的，其強度和伸長率遠遠超過普通球鐵，因而在運輸和機械行業得到了廣泛的應用。

奧貝球鐵缸套是近年來在鐵路內燃機車上進行大范圍推廣使用的用以替代原有缸套的新產品。但是經過使用發現洛陽機車有限公司檢修裝用奧貝球鐵缸套的內燃機車，發生了較多的柴油機活塞環磨損故障，據統計2010年1至10月份共發生10起柴油機奧貝缸套、活塞環磨損故障，這些故障給工廠造成了巨大的損失。

2.分析問題

2.1首先我們討論一下奧貝球鐵（AustemperedDLlctile?lron，簡稱ADI）的微觀組織和材料性能;

近代檢測技術已檢測出奧貝（等溫淬火）球鐵的基體組織是由針狀鐵素體和為碳所飽和的奧氏體所構成。故也有人稱這種組織為奧鐵體，國際上比較正式的叫法是由其特殊的熱處理工藝來命名的，簡稱ADI。

2.2在鑄鐵中，電子導熱是主要的熱傳導機制，其次是晶格振動，由于ADI球鐵具有高硅含量的特征，這將增大晶格的畸變程度，使導熱能力下降，而且ADI中的碳大都以球狀石墨的形式存在于金相中，彼此孤立，這些都勢必影響ADI的熱傳導性。

通過國內一些機構試驗后驗證的結果，也證明了ADI球鐵導熱率低的結論。以下是國內相關機構所做的4種鑄鐵導熱系數測定對比圖，從圖中可以看出，球墨鑄鐵的導熱系數最低。

圖2????鑄鐵導熱系數隨溫度變化曲線

1.片裝飾墨鑄鐵??2、3.蠕蟲狀石墨鑄鐵???4.球狀石墨鑄鐵

2.3對于裝用ADI缸套的內燃機車柴油機來說，較低的熱傳導性，有利于保持柴油機燃燒室內的熱量，減少柴油機的熱損耗，提升柴油機的熱工轉換率，從而達到節省燃油的效果。但同時由于ADI降低了熱傳導性，也會使得燃燒室內的燃氣溫度得到提升，氣缸內壁溫度也會隨之提升，這樣就增加了與缸套配合的活塞環的熱負荷，使得活塞環更加容易磨損。

2.4通常機械運動件在金屬與金屬的配合中，接觸面除了尺寸和光潔度外，材質和潤滑油都有講究。一般接觸面小的那一端容易磨損，多用比較光滑堅硬的材質;接觸面大的那一面多用硬度略微低一點的材料，免得過早將小面積的那端磨損。

在發動機的氣缸與活塞的設計上，活塞環就是一個最容易受到加倍磨損的嚴重薄弱環節。特別是在摩擦副處出現沙塵等顆粒物磨料的時候，活塞環的磨損會更加嚴重，具體情況視進入摩擦副的顆粒物而不同。

3.解決措施

3.1雖然在活塞環磨損的整個過程中，外來顆粒物起著重要的作用，但由于內燃機車空氣濾清系統，近年來經過多次改進，已經比較完善，進一步進行改進的空間已經很小。為解決活塞環磨損問題比較直接的措施是更換新材料的活塞環。

3.2目前活塞環的材料多采用鑄鐵和專用鋼材。與鑄鐵活塞環相比，鋼制活塞環的力學性能和熱穩定性優越，但耐磨性較差，通常需進行表面處理才能使用。目前活塞環表面處理技術主要包括：電鍍鉻、氣體表面氮化、PVD與CVD鍍膜、熱噴涂鉬涂層、等離子噴涂陶瓷涂層等。

3.2.1電鍍鉻：鍍鉻層能明顯改善活塞環的耐磨性提高其使用壽命，但是鍍鉻層脆性極大，容易碎裂脫落，脫落的硬制顆粒會加劇缸套的磨損，另外，電鍍鉻工藝耗能大、毒性大，目前國內外有正逐漸取消這種工藝的傾向。

3.2.2表面氮化處理：氮化處理主要包括氣體氮化、鹽浴氮化、離子氮化3種處理方式，但氮化后的活塞環表面硬度普遍不高，一般為800-1000HV，并且滲層厚度一般，不能滿足大功率發動機的要求。

3.2.3?PVD與CVD鍍膜：是在活塞環上沉積出BN、CrN、SiN等薄膜，實踐證明這些陶瓷薄膜能夠明顯提高活塞環的耐磨性，降低摩擦系數，減少磨損。但是制備的薄膜厚度過薄，一般僅為3-5um，承載能力較差，不能滿足高載、高速內燃機的需要。另外，由于工藝制備原因，只能在活塞環的整體上沉積薄膜，而這種整體薄膜活塞環在工作過程中容易發生咬缸現象。

3.2.4熱噴涂鉬涂層：一般采用火焰噴涂或等離子噴涂的方式在活塞環表面進行噴Mo，噴Mo活塞環具有不拉傷氣缸套，耐磨粒磨損性能較好及耐熔著磨損等特性，但噴Mo活塞環也有一些缺點，與鍍鉻環相比，磨損量較大，高溫時易氧化剝落，在缺少潤滑油條件下，摩擦系數和磨損率均較大。

3.2.5等離子噴涂陶瓷涂層：等離子噴涂陶瓷涂層活塞環已成為當今國內外活塞環表面處理領域研究的熱點內容，陶瓷本身具有硬度高、熱穩定性好、抗擦傷能力強、摩擦系數低、耐高溫、耐腐蝕的特點，而等離子噴涂技術具有使基體材料受熱少、可制備厚涂層，涂層材料選擇范圍寬，能夠滿足高載荷發動機的承載要求。資料研究表明，與鑄鐵環相比，等離子噴涂的涂層使活塞組的摩擦減少30%，燃料消耗減少約3%，機油消耗減少50%。

3.3等離子噴涂陶瓷涂層技術是目前活塞環的發展方向，內燃機陶瓷活塞環由于產品耐磨性能好、故障率低、使用壽命長并有節約機油燃油和環保的效果，受到用戶的廣泛青睞.近年來得到迅速的推廣應用。

綜上所述，在裝用ADI球鐵缸套的內燃機車上裝用等離子噴涂陶瓷涂層活塞環是解決活塞環、缸套磨損的最直接和有效的方法。

4.結束語

在實際運用上，烏魯木齊鐵路局哈密機務段，已經在裝用ADI球鐵缸套的DF8B等內燃機車上裝用了陶瓷活塞環，取得了較好的運用效果，降低了柴油機活塞環磨損故障，同時也機車燃油、機油耗量得到明顯減少。