活塞环表面处理技术的研究现状及发展趋势
王 师,阎殿然,李 莎,高国旗,张志彬
材料保护
[摘 要] 活塞环性能的优劣直接影响到内燃机的整体性能,随着现代内燃机的发展,对活塞环提出了越来越高的要求。阐述了现代活塞环表面处理技术如PVD与CVD镀膜、热喷涂钼涂层、等离子喷涂陶瓷涂层的技术特点,并与电镀铬、表面氮化进行对比,对它们的优缺点进行了分析。展望了现代活塞环表面处理技术的发展趋势。
[关键词] 表面处理;等离子喷涂;陶瓷涂层;活塞环
0 前 言
未来内燃机将向高效率、高载荷、高速度及高寿命的方向发展,这就对其耐久性及可靠性提出了更高的要求;伴随着石油资源的紧缺,对内燃机的燃油经济性的关注程度也在不断提高;同时世界各国对环境的保护意识在逐渐增强,相继出台了一系列更为严格的尾气排放法规[1]。活塞环作为直接影响内燃机使用可靠性和经济环保性的关键部件,如何不断提高其性能已成为关注的热点。多年来,对活塞环的表面处理已取得相当的成果。
1 研究现状
目前,活塞环材料多采用铸铁和专用钢材。铸铁活塞环虽然具有较好的摩擦磨损性能,但在力学性能方面不能满足发动机高速、高载的发展要求[2];与铸铁活塞环相比,钢制活塞环的力学性能和热稳定性优越,但是耐磨性较差,通常需进行表面处理才能使用。另外,活塞环专用钢材的国产化程度不高,其质量与国外相比还有一些差距,多数需要进口[3]。选用合理的表面处理技术不仅能够提高活塞环的使用性能,还能节约生产成本,具有很高的经济效益。目前,活塞环表面处理技术主要包括电镀铬、气体表面氮化、PVD与CVD镀膜、热喷涂钼涂层、等离子喷涂陶瓷涂层等[4]。
1. 1电镀铬
镀铬层能明显改善活塞环的耐磨性,提高其使用寿命。活塞环镀铬后,与铸铁活塞环相比寿命可提高3~5倍,且汽缸的磨损量也下降1/2。镀铬层组织细小、结构致密,杂质含量低,耐腐蚀性能良好,镀层的显微硬度可达700~1 000HV,摩擦系数小。对活塞环镀铬后直接进行阳极松孔处理,扩大和加深了镀铬层上原有较浅窄的网状微裂纹,从而提高了镀铬层存储润滑油的能力[5]。但是,镀铬层脆性极大,容易碎裂脱落,脱落的硬质颗粒会加剧气缸的磨损。此外,电镀铬工艺耗能极大,毒性大,即使采取相应的措施,也会对人体产生毒害和对环境造成污染。因此,电镀铬在国外已基本被禁止,国内也在逐渐取消这种工艺。
1. 2 表面氮化处理
氮化处理技术以其工艺经济可靠、对环境友好等特点受到广泛关注。近年来,发达国家已将氮化处理技术应用于活塞环,以取代污染环境的镀铬工艺,国内也有不少企业开始氮化活塞环的开发研究。氮化处理主要包括气体氮化、盐浴氮化、离子氮化3种处理方式。气体氮化处理主要用于马氏体不锈钢[6],国内外多数马氏体不锈钢活塞环都采用气体氮化处理;盐浴氮化主要用于奥氏体不锈钢活塞环的表面处理,它生产效率较高,成本较低,有毒物污染问题已经解决;离子氮化与气体氮化、盐浴氮化相比,成本较高,生产效率低,但是离子氮化处理活塞环变形小,且它可以选择性地只氮化活塞环的外周面,避免整体氮化时产生的硬质侧面对活塞的环槽内表面造成磨损,有利于活塞环的光密封度[7]。氮化工艺虽然操作简单,但是处理后的活塞环表面硬度普遍不高,一般为800~1 000HV,并且渗层厚度一般,不能满足大功率发动机的使用要求。
1. 3 PVD与CVD镀膜
早在20世纪80年代,西方发达国家就采用PVD方法在活塞环表面沉积了TiN薄膜,并在随后投入批量生产[8]。之后出现了PCVD, PECVD等新技术[9, 10],在活塞环上沉积出BN、CrN、SiN等薄膜,多已投入实际应用[11]。实践证明,这些陶瓷薄膜能够明显提高活塞环的耐磨性,降低摩擦系数,减少磨损。但是,制备的薄膜厚度过薄,一般仅3~5μm,承载能力较差,不能满足高载、高速内燃机的需要。另外,由于工艺制备原因,只能在活塞环的整体上沉积薄膜,而这种整体薄膜活塞环在工作过程中常发生咬缸现象。由于生产工艺复杂和费用昂贵的原因,限制了镀膜活塞环的推广应用。
1. 4 热喷涂钼涂层
一般采用火焰喷涂或等离子喷涂的方式在活塞环表面进行喷Mo。喷Mo活塞环具有不拉伤气缸套、耐磨粒磨损性较好及耐熔着磨损等特性。Mo涂层与基体结合良好,其孔隙率达10%~15%,可以起到良好的储油效果。但是,喷Mo活塞环也存在一些缺点,与镀铬环相比,磨损量较大,高温时易氧化剥落,且在缺少润滑油或油变质的条件下,摩擦系数和磨损率均较大,因此纯Mo涂层已经不能满足现代内燃机发展的需要。目前,国内外已开始就喷涂Mo与多种材料的复合涂层展开研究。
KaramisM B等[12]在活塞环表面等离子喷涂Al-Mo-Ni复合涂层,并对涂层在不同温度、不同载荷状态下进行了干、湿各种摩擦试验。Hwang B C等[13]利用大气等离子喷涂纯钼及钼与Cu,Al-Si合金的混合材料,发现喷涂钼与Cu,Al-Si合金混合材料所得到的涂层耐磨性好于纯钼涂层。刘稳善等[14]采用活塞环表面喷涂Mo+28%NiCrBSi复合材料,改善了抗咬死性和耐磨性。
1. 5 等离子喷涂陶瓷涂层
等离子喷涂陶瓷涂层活塞环已成为当今国内外活塞环表面处理领域研究的热点内容。陶瓷材料本身具有硬度高,热稳定性好,抗擦伤能力强,摩擦系数低,耐高温,耐腐蚀的特点,而等离子喷涂技术具有使基体材料受热少、可制备厚涂层、涂层材料选择范围宽以及生产效率高等优点。所以,采用等离子喷涂工艺制备陶瓷涂层活塞环结合了两者的优点,既不会引起活塞环的变形,又能够在活塞环表面制备出摩擦磨损性能优越的陶瓷涂层,而且涂层的厚度较厚,能够满足高载荷发动机的承载要求。研究表明,与铸铁环相比,等离子喷涂的涂层使活塞组的摩擦减少30%,燃料消耗减少大约3%,机油的消耗减少50%,磨损速率极低,每小时仅几个纳米。陶瓷涂层活塞环在国外发展很快,美国、日本和德国都有陶瓷涂层活塞环专利。Skopp A等[15]利用等离子喷涂技术在大气和真空条件下分别制备了TiOx陶瓷涂层,并在油磨与干磨条件下测试了其摩擦学性能,其摩擦系数远低于原始的活塞环与气缸材料。Ahn H S等[16]采用等离子喷涂技术制备出Cr2O3涂层,并模拟活塞环的往返运动,检测了Cr2O3涂层的耐磨性,结果表明,等离子喷涂Cr2O3涂层的摩擦系数及磨损量都优于电镀铬层。林建生[17]首先对发动机特性进行测量,然后更换具有陶瓷涂层的活塞环进行同样工况的对比试验,结果表明,应用陶瓷活塞环后,大大降低了活塞环与气缸套之间的摩擦系数,从而有效地减小了活塞环和气缸套间的摩擦损失,使发动机的机械效率得到了改善,特别是在高速时的效果尤为明显;李秀山等[18]采用等离子喷涂技术制备了WC环和Cr2O3缸,摩擦副模拟试验和台架试验表明,在高强度及绝热环境下运转的柴油机,WC环与Cr2O3套的摩擦系数比镀铬环与铸铁套的摩擦系数低,磨损率也低很多,采用陶瓷技术能有效地减少摩擦和磨损,提高内燃机的寿命。
2 发展趋势
现代活塞环表面处理技术不仅要满足内燃机的发展需求,还要考虑环境、能源、经济性等多方面问题。表面等离子喷涂陶瓷涂层是活塞环表面处理研究的一个重要方面,也是目前高强、高速、高效、低排放内燃机用活塞环研究的热点。如何使用纳米陶瓷技术解决陶瓷涂层的脆性问题,将是今后国内外活塞环表面处理研究的前沿性课题,也是未来活塞环表面处理技术的发展方向之一。通过合理选择陶瓷材料成分,设计陶瓷涂层结构,优化涂层制备和加工工艺,可以研制和开发出更高性能的陶瓷涂层活塞环。
等离子喷涂陶瓷涂层技术在活塞环表面处理上将有十分广阔的应用前景,未来,环境友好、节约能源、经济性良好的活塞环表面处理技术将会受到更多更大的重视。
[参考文献]略
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