一種三組合不粘油活塞油環(huán)的制備方法及試驗(yàn)研究

(安慶帝伯格茨活塞環(huán)有限公司，安徽 安慶 246000)

0 引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益提高，對(duì)汽車低油耗和低排放的要求也變得越來越嚴(yán)格，因此進(jìn)一步控制發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的消耗，減少和凈化尾氣排放是當(dāng)前汽車發(fā)展的迫切需求。活塞環(huán)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，控制潤滑油是其重要作用之一。活塞環(huán)上行運(yùn)動(dòng)時(shí)在缸套內(nèi)壁進(jìn)行布油，以促進(jìn)潤滑，減少活塞環(huán)和缸套的摩擦磨損。下行運(yùn)動(dòng)時(shí)，將缸套內(nèi)壁多余的潤滑油刮下使其流回油底殼，減少潤滑油進(jìn)入燃燒室被燃燒蒸發(fā)掉的可能。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用三道環(huán)方式：第一道密封環(huán)起密封和熱傳導(dǎo)作用；第二道環(huán)主要起部分密封和部分刮油作用；第三道環(huán)主要是用于刮油[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，75%以上的潤滑油是靠第三道活塞環(huán)刮下的。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化和高速化運(yùn)行，目前的絕大部分汽油機(jī)油環(huán)普遍采用三組合油環(huán)，即上下兩個(gè)刮片環(huán)加一個(gè)襯環(huán)的組合方式。

本文設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了一種三組合的不粘油活塞環(huán)。目的在于解決現(xiàn)有的三組合油環(huán)表面容易形成積碳并導(dǎo)致機(jī)油消耗高的問題，可使?jié)櫥驮谟铜h(huán)表面快速流動(dòng)，防止?jié)櫥驼吃诨钊h(huán)表面并形成結(jié)膠和積碳，以達(dá)到降低機(jī)油耗的目的。

1 制備方法

本文設(shè)計(jì)的不粘油三組合活塞油環(huán)由軸向的上下一對(duì)刮片環(huán)與位于兩刮片環(huán)之間的襯環(huán)組成，在襯環(huán)上下側(cè)面和與襯環(huán)接觸的刮片環(huán)面上涂覆一種由二硫化鉬和聚四氟乙烯組成的不粘油涂層，其制備方法如下：

(1)將需要涂覆的襯環(huán)和刮片環(huán)進(jìn)行超聲波清洗，除去襯環(huán)和刮片環(huán)表面的油污；

(2)對(duì)襯環(huán)和刮片環(huán)表面進(jìn)行前化學(xué)處理，將襯環(huán)和刮片環(huán)放入錳磷酸鹽溶液中進(jìn)行磷化處理，在襯環(huán)表面生成一層較薄的磷化層，處理時(shí)間3～5 min，溫度為60～80 ℃，磷化層厚度1～3 μm；

(3)磷化處理后，將襯環(huán)和刮片環(huán)放入純凈水中清洗1 min，水溫為60～70 ℃；

(4)清洗完成后放入烘干爐中烘干，烘干溫度為90～105 ℃，時(shí)間5 min；

(5)噴涂處理,采用全自動(dòng)360°旋轉(zhuǎn)式電控噴頭，噴涂速度快、噴涂效率高，涂層的厚度均勻。噴槍為0.8 mm的超細(xì)噴槍，噴涂時(shí)將噴槍與環(huán)體表面分別呈75°、90°、115°，連續(xù)噴涂3次，噴涂不粘油涂層的成分以質(zhì)量百分比(wt%)計(jì)算：二硫化鉬5 wt%～35 wt%，聚四氟乙烯65 wt%～90 wt%；

(6)干燥處理，將噴涂好的襯環(huán)和刮片環(huán)放在無塵箱中進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間20～30 min，干燥溫度100 ℃；

(7)翻轉(zhuǎn)襯環(huán)，重復(fù)步驟(5)和步驟(6)噴涂襯環(huán)的另一面；

(8)固化處理，將襯環(huán)和刮片環(huán)處理時(shí)間10 min，固化溫度160～200 ℃。

為提高刮片環(huán)的外圓耐磨性，可預(yù)先對(duì)上述步驟(1)中的刮片環(huán)外圓面用等離子氮化方式生成等離子氮化層。襯環(huán)位于兩片刮片環(huán)之間，依靠推壓刮片環(huán)的內(nèi)圓面使刮片環(huán)獲得張力。本文所述的三組合油環(huán)是通過在襯環(huán)的表面和與襯環(huán)接觸的刮片環(huán)面噴涂一種不粘油涂層來加快潤滑油在環(huán)表面的流動(dòng)性，從而減少環(huán)表面的潤滑油殘留，使?jié)櫥湍芎芸炝髯叨粫?huì)造成油環(huán)結(jié)膠，同時(shí)沖刷走輕微的積碳，防止積碳將襯環(huán)和刮片環(huán)粘接卡死，造成彈力消失，進(jìn)一步降低油耗。

不粘油涂層的主要成分為二硫化鉬和聚四氟乙烯。二硫化鉬的分子結(jié)構(gòu)為層狀格子型構(gòu)造，每層由鉬原子同兩側(cè)的兩個(gè)硫原子結(jié)合而成[2]。鉬同硫的結(jié)合力非常強(qiáng)，而相反硫磺與硫磺間的結(jié)合力很微弱，因此層與層間容易斷裂并產(chǎn)生滑移，故可以充分發(fā)揮出潤滑以減小摩擦。聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)極低，僅有0.03～0.04，非粘著性能極為出色，同時(shí)具備較好的耐熱和耐腐蝕性能。本文所述的不粘油涂層的厚度在5～15 μm范圍內(nèi)，涂層與活塞環(huán)基體的結(jié)合性能良好，不易發(fā)生脫落。

2 性能測試

為檢驗(yàn)不粘油涂層的使用效果，對(duì)其進(jìn)行性能測試。將同一型號(hào)涂有不粘油涂層的襯環(huán)1和普通襯環(huán)2裝置在同一轉(zhuǎn)盤上進(jìn)行甩油試驗(yàn)(圖1)。首先將兩環(huán)在機(jī)油中浸沒60 s，再將環(huán)裝置在直徑為1.5 m的轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤以60 r/min的速度旋轉(zhuǎn)120圈。共進(jìn)行兩輪試驗(yàn)，每輪試驗(yàn)進(jìn)行3次，記錄環(huán)表面附著機(jī)油的質(zhì)量。

圖1 甩盤試驗(yàn)示意圖

如圖2所示，第一輪試驗(yàn)結(jié)束后，環(huán)1表面附著的機(jī)油減少了0.09 g，附著油改善率為24.3%，第二輪試驗(yàn)后，環(huán)1表面附著油下降0.08 g，改善率22.6%。

隨后對(duì)環(huán)進(jìn)行接觸角對(duì)比測試，如圖3所示，接觸角越大則不粘性越好。結(jié)果顯示，添加了不粘油涂層的襯環(huán)接觸角大于100°，表明潤滑油滴到襯環(huán)表面仍呈現(xiàn)珠狀，沒有輕易被襯環(huán)表面吸附。而普通襯環(huán)接觸角為76°，這說明潤滑油滴到襯環(huán)表面以后快速攤開，吸附到了環(huán)的表面。

圖2 試驗(yàn)后襯環(huán)表面附著機(jī)油質(zhì)量對(duì)比圖

圖3 油滴在襯環(huán)表面狀態(tài)

最后對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行200 h的發(fā)動(dòng)機(jī)全速全負(fù)荷臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 平均機(jī)油消耗對(duì)比圖

由圖4可知，相比于普通活塞環(huán)，安裝了不粘油活塞環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量降低了15.2%。從圖5的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，使用了不粘油涂層的活塞環(huán)后，活塞環(huán)的環(huán)槽處依然較為光亮，表明此處積碳少，而使用普通油環(huán)的活塞環(huán)環(huán)槽處顏色發(fā)黑，說明此處積碳較多。分別對(duì)兩種活塞環(huán)的刮片環(huán)和襯環(huán)的表面狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。可以認(rèn)為，帶有不粘油涂層的刮片環(huán)和襯環(huán)使用后的表面積碳明顯少于不帶涂層的油環(huán)。

圖5 臺(tái)架試驗(yàn)后活塞表面狀態(tài)對(duì)比圖

圖6 臺(tái)架試驗(yàn)后活塞環(huán)表面狀態(tài)對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)制備了一種新型的三組合不粘油活塞環(huán)，并通過甩油試驗(yàn)、接觸角試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)來測試其性能。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以認(rèn)為，與市場現(xiàn)有的產(chǎn)品相比，不粘油涂層所具有的不粘油性能，能使機(jī)油更容易在涂層的表面流動(dòng)，不易形成附著，有效解決了現(xiàn)有的三組合油環(huán)表面易形成積碳而造成的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗高的問題，具有較高的市場推廣價(jià)值。