內(nèi)燃機車奧貝球鐵缸套與活塞環(huán)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(huán)磨損的原因，同時通過對現(xiàn)代活塞環(huán)表面處理技術(shù)的總結(jié)，提出了減少內(nèi)燃機車活塞環(huán)磨損的方法。

關(guān)鍵詞：ADI氣缸套?;活塞環(huán)磨損;陶瓷活塞環(huán)

1.問題提出

奧貝球鐵（Austempered?DLlctile?lron，簡稱ADI）是近代發(fā)展起來的新型球鐵材料，它是球墨鑄鐵經(jīng)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(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

奧貝球鐵缸套是近年來在鐵路內(nèi)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(chǎn)品。但是經(jīng)過使用發(fā)現(xiàn)洛陽機車有限公司檢修裝用奧貝球鐵缸套的內(nèi)燃機車，發(fā)生了較多的柴油機活塞環(huán)磨損故障，據(jù)統(tǒng)計2010年1至10月份共發(fā)生10起柴油機奧貝缸套、活塞環(huán)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(shù)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(gòu)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(dǎo)熱是主要的熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)性。

通過國內(nèi)一些機構(gòu)試驗后驗證的結(jié)果，也證明了ADI球鐵導(dǎo)熱率低的結(jié)論。以下是國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)所做的4種鑄鐵導(dǎo)熱系數(shù)測定對比圖，從圖中可以看出，球墨鑄鐵的導(dǎo)熱系數(shù)最低。

圖2????鑄鐵導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)燃機車柴油機來說，較低的熱傳導(dǎo)性，有利于保持柴油機燃燒室內(nèi)的熱量，減少柴油機的熱損耗，提升柴油機的熱工轉(zhuǎn)換率，從而達到節(jié)省燃油的效果。但同時由于ADI降低了熱傳導(dǎo)性，也會使得燃燒室內(nèi)的燃氣溫度得到提升，氣缸內(nèi)壁溫度也會隨之提升，這樣就增加了與缸套配合的活塞環(huán)的熱負(fù)荷，使得活塞環(huán)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(zhì)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(zhì);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(fā)動機的氣缸與活塞的設(shè)計上，活塞環(huán)就是一個最容易受到加倍磨損的嚴(yán)重薄弱環(huán)節(jié)。特別是在摩擦副處出現(xiàn)沙塵等顆粒物磨料的時候，活塞環(huán)的磨損會更加嚴(yán)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(huán)磨損的整個過程中，外來顆粒物起著重要的作用，但由于內(nèi)燃機車空氣濾清系統(tǒng)，近年來經(jīng)過多次改進，已經(jīng)比較完善，進一步進行改進的空間已經(jīng)很小。為解決活塞環(huán)磨損問題比較直接的措施是更換新材料的活塞環(huán)。

3.2目前活塞環(huán)的材料多采用鑄鐵和專用鋼材。與鑄鐵活塞環(huán)相比，鋼制活塞環(huán)的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性優(yōu)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(huán)表面處理技術(shù)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(huán)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(nèi)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(huán)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(fā)動機的要求。

3.2.3?PVD與CVD鍍膜：是在活塞環(huán)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(huán)的耐磨性，降低摩擦系數(shù)，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(nèi)燃機的需要。另外，由于工藝制備原因，只能在活塞環(huán)的整體上沉積薄膜，而這種整體薄膜活塞環(huán)在工作過程中容易發(fā)生咬缸現(xiàn)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(huán)表面進行噴Mo，噴Mo活塞環(huán)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(huán)也有一些缺點，與鍍鉻環(huán)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(shù)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(huán)已成為當(dāng)今國內(nèi)外活塞環(huán)表面處理領(lǐng)域研究的熱點內(nèi)容，陶瓷本身具有硬度高、熱穩(wěn)定性好、抗擦傷能力強、摩擦系數(shù)低、耐高溫、耐腐蝕的特點，而等離子噴涂技術(shù)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(fā)動機的承載要求。資料研究表明，與鑄鐵環(huán)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(shù)是目前活塞環(huán)的發(fā)展方向，內(nèi)燃機陶瓷活塞環(huán)由于產(chǎn)品耐磨性能好、故障率低、使用壽命長并有節(jié)約機油燃油和環(huán)保的效果，受到用戶的廣泛青睞.近年來得到迅速的推廣應(yīng)用。

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

4.結(jié)束語

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