表面處理對(duì)活塞環(huán)摩擦磨損性能影響的試驗(yàn)研究

徐國(guó)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(jī)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(jī)油[1]。總體而言，活塞環(huán)是一種具有較大向外擴(kuò)張變形能力的金屬?gòu)椥原h(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(jìn)行循環(huán)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞環(huán)依靠氣體或液體形成的壓力差，會(huì)在環(huán)的外圓面以及氣缸、環(huán)本身、環(huán)槽的某一個(gè)側(cè)面之間形成密封，進(jìn)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(guò)此種表面處理后，基礎(chǔ)材料的耐蝕性、耐磨性會(huì)發(fā)生定向改變，或是在裝飾等方面滿足應(yīng)用方對(duì)基礎(chǔ)材料提出的新要求。對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行表面處理后，其磨損性能會(huì)受到什么樣的影響具備較大的分析價(jià)值。本研究以此開展試驗(yàn)，現(xiàn)圍繞實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)有活塞環(huán)表面處理方法及效果

針對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行表面處理時(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)上述目的的具體原理如下。

（1）通過(guò)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(dá)到提高其耐磨性的目的。

（2）通過(guò)涂覆處理，能夠大幅度提高活塞環(huán)表面的儲(chǔ)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(huì)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(duì)活塞環(huán)進(jìn)行復(fù)合處理后，能夠適當(dāng)提高活塞環(huán)的軟度，并通過(guò)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(shí)，能夠加速磨損，以達(dá)到縮短有效磨合期的目的。

有研究表明，使用電鍍鉻工藝對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)行處理時(shí)，硬度提升較為明顯且耐腐蝕性能更強(qiáng)[4]。來(lái)自國(guó)外Materials today proceedings 期刊的報(bào)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(guò)電鍍鉻處理的活塞環(huán)的平均使用壽命提升幅度可達(dá)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(duì)活塞環(huán)與內(nèi)燃機(jī)儲(chǔ)油潤(rùn)滑效果的提高更高，且活塞環(huán)的使用壽命能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)。還有研究表明，對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)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(huì)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(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)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(huì)大幅度增加。

通過(guò)上文所述，可以總結(jié)出一個(gè)較為明確的結(jié)論：對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)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(xiàn)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(duì)、優(yōu)劣性比對(duì)相關(guān)研究數(shù)量較少。文中的研究側(cè)重點(diǎn)集中在此處。

2 表面處理對(duì)活塞環(huán)摩擦磨損性能影響的試驗(yàn)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(yàn)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(guò)檢驗(yàn)后請(qǐng)確定，表面粗糙程度不超過(guò)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(guò)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(guò)濾系統(tǒng)、閉路回收系統(tǒng)、抽風(fēng)除霧系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)。除此之外，還需準(zhǔn)備能夠持續(xù)進(jìn)行烘烤的加熱設(shè)備（必須能夠在300 ℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)烘烤作業(yè)）。對(duì)物理氣相沉積設(shè)備（真空機(jī)組）的要求為：真空度應(yīng)該至少達(dá)到2×10-3Pa。

（3）其他工具設(shè)備及材料：顯微硬度計(jì)、電子衍射儀（主要用于進(jìn)行電子衍射測(cè)試，對(duì)被檢測(cè)物體的表面情況進(jìn)行肉眼不可見的深度檢測(cè)）、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(yáng)離子的存在形式根據(jù)鉻酐濃度的不同而有差異，本實(shí)驗(yàn)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(shí)，以鉻酸為主要存在形式）、圓盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、CV-3100輪廓儀、潤(rùn)滑油（規(guī)格型號(hào)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(duì)活塞環(huán)進(jìn)行鍍鉻處理后，首先會(huì)在其表面形成厚度至少達(dá)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(guò)熱處理后鑄鐵的2.5倍。

②在本次試驗(yàn)開展過(guò)程中，如果以時(shí)鐘刻度位置，對(duì)活塞環(huán)不同位置完成基礎(chǔ)鍍鉻處理后的表面硬度進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)：0點(diǎn)位置的表面硬度介于948～971維氏硬度；3點(diǎn)方向的表面硬度介于944～968維氏硬度；9點(diǎn)方向的硬度介于950～984維氏硬度。達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明活塞環(huán)的硬度已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

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③對(duì)鍍鉻層的外觀進(jìn)行檢查。由于鍍鉻層是光澤層，顯微組織會(huì)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(duì)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(qiáng)、摩擦系數(shù)低、熔點(diǎn)高、耐腐蝕性強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)?；诖耍瑸榱耸勾囼?yàn)的鍍鉻活塞環(huán)具備上述特點(diǎn)，研究組成員使用顯微硬度計(jì)對(duì)活塞環(huán)表面鉻層進(jìn)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(dá)到5μm 的GrN 鍍層。使用顯微硬度計(jì)對(duì)該鍍層進(jìn)行觀察及測(cè)量時(shí)，得到的結(jié)果為：①不同位置硬度方面：0點(diǎn)方向的表面硬度介于1210～1240維氏硬度；3點(diǎn)方向表面硬度介于1205～1240維氏硬度；9點(diǎn)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(huì)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(duì)經(jīng)過(guò)PVD 處理的活塞環(huán)表面進(jìn)行電子衍射測(cè)試，結(jié)果表明，PVD 處理后形成的GrN 鍍層對(duì)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(duì)活塞環(huán)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)兩種方式完成試驗(yàn)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(yàn)機(jī)，重點(diǎn)圍繞活塞環(huán)與缸套之間的摩擦磨損性能進(jìn)行檢測(cè)。相關(guān)注意事項(xiàng)如下。

2.2.1 試驗(yàn)環(huán)境及檢測(cè)設(shè)備參數(shù)調(diào)整

（1）試驗(yàn)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(yàn)機(jī)的載荷控制在200 N，轉(zhuǎn)速控制在每分鐘200r/min，測(cè)試時(shí)間控制為1h。

活塞環(huán)表面潤(rùn)滑程度是否均勻在很大程度上決定本次試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)是否準(zhǔn)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(rùn)滑油分布同樣達(dá)到上述要求。

2.2.2 試驗(yàn)開展期間

（1）研究組成員首先使用金屬桿對(duì)活塞環(huán)試樣進(jìn)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(duì)活塞環(huán)進(jìn)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(yàn)過(guò)程中，可以啟動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)圓盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)活塞環(huán)與缸套進(jìn)行控制，使兩者之間發(fā)生“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”。這樣做的目的在于，能夠模擬出柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行期間的工況，之后對(duì)摩擦現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)。具體的檢測(cè)過(guò)程如下。

①使用壓力傳感器，對(duì)摩擦力信號(hào)進(jìn)行采集，務(wù)必得到準(zhǔn)確的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間變化而變化的數(shù)據(jù)，之后制作成趨勢(shì)圖。

②可以使用CV-3100輪廓儀，對(duì)磨損量進(jìn)行檢測(cè)。具體的檢測(cè)方法為：在活塞環(huán)試樣與缸套試樣接觸前，對(duì)試樣表面的磨損程度進(jìn)行檢測(cè)，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(yùn)行之后，采用方法同上。將缸套、活塞環(huán)接觸并運(yùn)行摩擦前后對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出磨損過(guò)程中缸套、活塞環(huán)體積的變化情況。

2.3 試驗(yàn)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(yàn)選擇分析的活塞環(huán)及搭配缸套共計(jì)三組，分別為沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處理的活塞環(huán)、采用常規(guī)鍍鉻工藝進(jìn)行表面處理的活塞環(huán)、使用PVD 工藝進(jìn)行表面處理的活塞環(huán)。

（1）沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(dòng)逐漸下降”的趨勢(shì)。②在設(shè)備啟動(dòng)的前5min 時(shí)間內(nèi)，摩擦系數(shù)整體較大（介于0.05～0.07），波動(dòng)比較??；在設(shè)備啟動(dòng)5～15min 的時(shí)間內(nèi)，摩擦系數(shù)有所下降（介于0.03～0.06），且在該時(shí)段內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（中位數(shù)值為0.0375）。

（2）經(jīng)過(guò)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(dòng)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(dòng)劇烈程度開始降低，摩擦系數(shù)均值同樣降低，長(zhǎng)時(shí)間維持在0.03左右。③從第15min 開始，直到1h 的檢測(cè)全部結(jié)束，摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度維持穩(wěn)定狀態(tài)（與3～15min 的波動(dòng)劇烈程度相比幾乎沒(méi)有明顯差異），摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低為0.025且長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。

（3）經(jīng)過(guò)PVD 表面處理的活塞環(huán)。在持續(xù)1h 的時(shí)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(jìn)入第10min 開始，直到1h 時(shí)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(dòng)上限為0.0375，下限為0.0225；10min～1h 內(nèi)，摩擦系數(shù)波動(dòng)上限與前10min 相比沒(méi)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(duì)持續(xù)1h 的檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)后，得出表面無(wú)處理的活塞環(huán)的摩擦磨損性能的變化趨勢(shì)為：首先經(jīng)歷磨合磨損期，其次進(jìn)入穩(wěn)定磨損期，最后進(jìn)入劇烈磨損期。在磨損的初級(jí)階段，波動(dòng)十分劇烈，之后進(jìn)入相對(duì)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(lái)越大，磨損劇烈程度越來(lái)越高，機(jī)械效率會(huì)明顯下降。因此，進(jìn)入后期，磨損系數(shù)均值雖然沒(méi)有明顯提升，但波動(dòng)幅度會(huì)再次增大，直到活塞環(huán)最終完全失效。

（2）表面經(jīng)過(guò)鍍鉻處理的活塞環(huán)所需的磨合穩(wěn)定時(shí)間低于沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處理的活塞環(huán)，但向最終穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行過(guò)渡的過(guò)程會(huì)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(dòng)劇烈程度同樣沒(méi)有達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)文中研究數(shù)據(jù)可知，表面沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)，且全過(guò)程的平均摩擦系數(shù)、每段時(shí)間的摩擦系數(shù)均處于較高水平，摩擦系數(shù)上下波動(dòng)范圍極大。表面經(jīng)過(guò)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(shí)間對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定。表面經(jīng)過(guò)PVD 處理的活塞環(huán)，除了前10min 的短暫波動(dòng)之外，全過(guò)程摩擦系數(shù)均保持穩(wěn)定狀態(tài)。總體而言，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。