活塞環(huán)現(xiàn)代制造技術(shù)

林愛楨

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074）

主題詞：活塞環(huán) 制造技術(shù) 外形 材料 表面處理

0 前言

活塞環(huán)根據(jù)工作時發(fā)揮的作用的不同可分為氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)可以密封燃燒室內(nèi)的可燃氣體并將活塞頂部大部分熱量傳至氣缸壁達到冷卻的目的[1]；油環(huán)的作用有很多，但主要的還是阻擋機油進入燃燒室?；钊h(huán)在燃燒室內(nèi)隨著活塞做往復運動，受到高溫、高壓燃氣的侵蝕并與缸套產(chǎn)生激烈的摩擦，據(jù)統(tǒng)計，三分之一的燃油消耗都是由摩擦[2]消耗的，因此摩擦磨損一直被認為是影響內(nèi)燃機燃油效率的關(guān)鍵因素，其中，活塞環(huán)與缸套接觸產(chǎn)生的摩擦在內(nèi)燃機中摩擦占比超過50%，一直被認為是汽車發(fā)動機中最重要的摩擦部件之一[3]，且活塞環(huán)與缸套接觸時，嚴重摩擦磨損甚至會導致燃氣泄漏，導致發(fā)動機怠速不穩(wěn)定，工作環(huán)境極其惡劣[4-5]。良好的活塞環(huán)需要有較高的耐熱性、耐磨性和工藝性能，對于具有良好使用性能的活塞環(huán)研發(fā)一直是活塞環(huán)制造業(yè)的重點、難點，加之要求現(xiàn)代內(nèi)燃機具有更高效率、更高載荷、更高速度和更高壽命的特點，因此，急切要求研究具有更高使用性能的活塞環(huán)。目前，活塞環(huán)制造技術(shù)研究的重點主要集中在改進活塞環(huán)外形，優(yōu)選活塞環(huán)材料以及開發(fā)新的活塞環(huán)表面處理技術(shù)方面等。

1 活塞環(huán)外形

1.1 氣環(huán)外形

相對于油環(huán)來說，氣環(huán)工作時受到的最高溫度可高達600 K，工作環(huán)境比較惡劣，以至其使用壽命較短。

氣環(huán)外形種類較多，如圖1[6-7]所示，其中，矩形斷面環(huán)的散熱性能、工藝性能以及經(jīng)濟性能均較佳。但其耐磨性、密封性較差，在工作狀態(tài)下，會把氣缸壁上的機油不斷送入氣缸中，導致機油在燃燒室內(nèi)因高溫燃燒生成積碳，不僅增加了機油的消耗量，還可能使環(huán)槽中的積碳造成卡環(huán)或折斷等現(xiàn)象。因此，高速、高負荷的強化內(nèi)燃機上一般不采用矩形斷面環(huán)，而較多的運用于中速發(fā)動機中。非矩形斷面的扭曲環(huán)在工作時通過擠壓變形極大的改善了泵油效應，因此得到了廣泛的應用。錐形環(huán)有良好的刮油作用，可用于高速發(fā)動機。梯形環(huán)的抗膠結(jié)能力最好，但上、下兩面工作面需要精磨，且工藝比較復雜。桶面環(huán)是上世紀七十年代興起的一種新型結(jié)構(gòu)，它對環(huán)壁間的油膜有良好的維持效果，從而大大降低機油消耗[7]；目前，在桶面環(huán)的基礎(chǔ)上做改進，采用不對稱桶形氣環(huán)，它可以在改善氣缸油膜形成的同時減小接合面上的壓力，避免機油從結(jié)合面的上端進入燃燒室，保證密封性。

圖1 氣環(huán)斷面形狀圖[6-7]

氣環(huán)寬度決定了氣缸油膜的厚度，環(huán)的寬度與其產(chǎn)生的氣缸油膜厚度成正比，使用較寬的氣環(huán)，可以改善上止點附近氣缸的磨損，但會給整個活塞組件帶來較為不利的慣性效應；而使用較窄的環(huán)可提高與環(huán)槽側(cè)壁的適應性，但容易發(fā)生斷裂。因此，選擇活塞環(huán)的寬度需要考慮各方面需求，以滿足不同需求時的使用。

如今，仿形加工技術(shù)的應用大大優(yōu)化了活塞環(huán)形狀的適應性能。目前一種行之有效的方法是結(jié)構(gòu)溫度數(shù)值耦合法，這種方法通過數(shù)學模型描述活塞環(huán)所經(jīng)歷的溫度變化，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計活塞環(huán)的形狀。首先通過實驗數(shù)據(jù)獲得材料隨溫度的形變規(guī)律，再根據(jù)該規(guī)律設(shè)計常溫下的最佳溫度變形狀態(tài)，借此獲得最佳的活塞環(huán)接觸狀態(tài)。

1.2 油環(huán)外形

油環(huán)分為普通式油環(huán)和組合式油環(huán)兩種，普通式油環(huán)的單體油環(huán)受力情況、刮油性能以及使用壽命均較差，嚴重時還會出現(xiàn)機油進入燃燒室等情況；帶波形板襯簧的組合式油環(huán)受力情況良好，主要應用于某些小型的汽油機；帶有螺旋形式襯簧的組合油環(huán)受力情況最佳，油環(huán)隨活塞來回做往復運動時，刮油能力強，能有效帶走缸壁上的機油，通常將螺旋襯簧的組合油環(huán)用于車用柴油機，也有少部分用于車用汽油機，但油環(huán)外表面與環(huán)背面均需要鍍鉻以減少磨損。對于組合式而言，鋼片組合式油環(huán)克服了單體油環(huán)機油上竄的缺點，且缸壁發(fā)生變形之后對其影響不大，刮油性能也較好，普遍用于高速汽油機，但其磨損較嚴重，高速柴油機上一般不采用。

如今，柔性油環(huán)普遍使用在中速發(fā)動機上，其彈簧特性使得油環(huán)在磨損后受力情況不會發(fā)生太大的改變，氣缸的油膜分布比較均勻，使用時效果最好。油環(huán)臺肩采用仿形磨削加工后，油環(huán)臺肩寬度的公差減小一半，側(cè)壓力的變動范圍明顯減小，機油消耗也大大減少。

2 活塞環(huán)材料技術(shù)

活塞環(huán)的材料主要是灰鑄鐵，但隨著對活塞環(huán)機械性能的要求越來越高，逐漸出現(xiàn)了合金鑄鐵、鋼材、復合材料和粉末冶金材料等新型材料，這些材料較適用于制造高性能活塞環(huán)的材料。

2.1 鑄鐵活塞環(huán)

鑄鐵是制作活塞環(huán)的傳統(tǒng)材料之一，由于其具有耐磨性好、工藝性好和低成本的特點，因此早期在活塞環(huán)的制造上獲得了廣泛應用。鑄鐵活塞環(huán)因材料本身含有石墨，帶有自潤滑性，可以改善表面磨損度，但其強度不高。為了滿足性能要求，可在鑄鐵材料中加入一些諸如Cu、Cr、Mn、Mo等合金元素，并相應地進行一定的熱處理[7]。目前，已經(jīng)開發(fā)出了鉻鉬球墨鑄鐵、鉬銅球墨鑄鐵、高硅鐵素體球墨鑄鐵等合金鑄鐵材料，隨著高強度發(fā)動機的發(fā)展，適用于各種特殊要求的活塞環(huán)合金鑄鐵材料有待于開發(fā)。

2.2 鋼活塞環(huán)

隨著對機械動力性需求的不斷增大，內(nèi)燃機部件的結(jié)構(gòu)強度要求與日俱增。由于鋼活塞環(huán)的耐熱性能、耐磨性能以及力學性能均較好，并且還符合節(jié)能減排、環(huán)境友好型材料的要求，由此，鋼逐漸應用于制作活塞環(huán)的材料，目前制造活塞環(huán)的鋼材主要有碳素鋼、低合金鋼以及不銹鋼，主要用于制造氣環(huán)和鋼帶組合油環(huán)[8-9]。

2.3 復合材料和粉末冶金材料

對于活塞環(huán)復雜多變的極端工況要求，目前的科技水平很難開發(fā)單一一種材料來符合上述要求。因此，對特殊部位采用復合材料顯得尤為重要。當潤滑情況不好，活塞環(huán)磨損比較嚴重時，在其外表面上開一工藝槽，向內(nèi)填充一種具有多孔性的鐵淦氧材料[9-10]，可以吸附適量的潤滑油，避免缺油時發(fā)生的粘著磨損,并且有效地減少磨損量。

同樣地，粉末冶金材料也是為了改善活塞環(huán)表面的磨損情況而被新研發(fā)的一種活塞環(huán)材料。它通過加入各種不同的金屬元素以及石墨等非金屬材料來提升其表面的多孔吸附特性，從而改善活塞環(huán)的磨損情況，但粉末冶金材料的多孔性也會帶來較大的不利影響，它會降低活塞環(huán)的導熱性，從而不利于活塞環(huán)散熱,由于活塞環(huán)本身所處環(huán)境溫度較高，而導熱能力降低后，活塞環(huán)長期工作在較高的熱負荷狀態(tài)下，降低了活塞環(huán)的強度。因此,該類型材料的使用需要在可靠潤滑及材料孔隙間作出平衡選擇。

3 活塞環(huán)表面處理技術(shù)

3.1 表面鍍鉻

表面鍍鉻是最初使用的一種對活塞環(huán)表面進行強化以滿足使用性能要求的活塞環(huán)表面處理技術(shù)，它通過在活塞環(huán)外圓表面覆鉻層來降低表面摩擦系數(shù)，改善活塞環(huán)外表面的磨損情況，延長其有效使用時間。但由于目前工藝水平的限制，鍍鉻的成功率相對較低，廢品率的居高不下會造成極大浪費。此外，還會產(chǎn)生重金屬廢液，污染環(huán)境，且鉻鍍層與活塞環(huán)基體的貼合度不夠好，容易脫落[5][7]，因此，在發(fā)達國家該方式已被禁止。而我國在活塞環(huán)表面處理技術(shù)方面還不夠成熟，一些廠家仍然在使用。不過，目前政府對環(huán)境友好型制造業(yè)大力提倡和扶持，在工藝得到巨大提升之前，該項工藝發(fā)展前景不太明朗。

3.2 表面氮化處理

活塞環(huán)的表面氮化方式主要有3種，包括離子氮化法，鹽浴法及氣體表面處理法[11-13]。離子表面氮化加工生產(chǎn)效率較低，且成本不易控制，但離子表面氮化有較大的優(yōu)點，它可以選擇性地氮化指定的某部分活塞環(huán)外表面，避免對不需要強化的表面進行氮化，更有利于活塞環(huán)的減磨。表面氮化處理技術(shù)安全、可靠、成本低、無環(huán)境污染，淘汰了表面鍍鉻工藝以后，Yufu Xu等提出選擇表面氮化處理技術(shù)來強化活塞環(huán)的外表面[14]。但是，該項工藝最大的缺點是會降低金屬表面的硬度，且滲氮層的厚度及均勻性難以得到精確的控制，不能很好的滿足某些頻繁工況的要求，難以大量推廣。

3.3 表面噴鉬

劉志英等提出對活塞環(huán)表面噴鉬有火焰噴涂和等離子噴涂兩種方式[1]，鉬涂層熔點低，硬度高，具有良好的耐磨損性，并且與基體環(huán)的結(jié)合良好。但是，噴鉬活塞環(huán)長期工作在高溫狀態(tài)下，鉬涂層因氧化導致維持時間不長容易脫落。潤滑狀態(tài)不好時噴鉬活塞環(huán)的摩擦系數(shù)比較大，相應地，磨損情況較為嚴重。研究人員也在不斷研究改進鉬涂層的可用性，并取得了一定的成果。國外學者M.Tas等研究[14]發(fā)現(xiàn),在Mo粉中加入Cu粉和Al-Si合金粉末，可以得到了Cu-Al2和Cu9Al4兩種減磨材料，使涂層具有較為良好的耐磨性,并且，該種減磨材料的應用還能降低生產(chǎn)成本，因此，深入研究鉬粉合金元素的復合性能是開發(fā)出具有良好性能活塞環(huán)的重要研究方向。

3.4 等離子噴涂陶瓷層

用于強化活塞環(huán)表面的陶瓷涂層的各項性能均較好，對其開發(fā)和研制無異于給活塞環(huán)的制造帶來了非常大的發(fā)展前景；但是，由于涂層的制備制造難度非常大，使其一直沒有得到很好地應用。隨著工業(yè)的發(fā)展，等離子噴涂技術(shù)逐漸成熟，結(jié)合陶瓷涂層和等離子噴涂兩項技術(shù)優(yōu)點的等離子噴涂陶瓷涂層應運而生。由此，解決了陶瓷材料高應力剝落和活塞環(huán)變形等一系列的問題，使陶瓷材料可以在活塞環(huán)的制造中獲得廣泛應用。AE Goetze的K.Holmberg用一種特殊的涂層制備方法，研制出了一種CKS-36涂層[15]，是在鉻涂層上滲入陶瓷微粒的一種復合陶瓷涂層，CKS-36涂層結(jié)構(gòu)如圖2所示。目前，活塞環(huán)表面噴涂陶瓷層受到技術(shù)限制，還沒有得到廣泛應用，開發(fā)良好性能的陶瓷涂層仍然是活塞環(huán)表面處理技術(shù)研究領(lǐng)域的一個極其重要的方向。

圖2 CKS-36層結(jié)構(gòu)[15]

3.5 氣相沉積技術(shù)

W.Grabon在等離子噴涂法的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了氣相沉淀技術(shù)，其基本原理是采用了金屬基體真空介質(zhì)中的均勻沉積技術(shù)[16]。蒸發(fā)涂層材料主要有電弧和磁控濺射兩種工藝。電弧的工作過程如下：低壓電弧產(chǎn)生電場，離子在該電場中受到電場力的作用，加速運動，沖到活塞環(huán)基體上，完成沉積，但涂層中可能存在低壓電弧導致小顆粒的存在,使涂層的表面整潔度和綜合機械性能均受到影響。磁控濺射的工作過程如下：磁場濺射產(chǎn)生等離子體，撞擊活塞環(huán)基體后導出原子，由此產(chǎn)生的原子所受力度不夠，其動能相對較低，因此，得到涂層的難度更大，但磁控濺射得到的涂層表面更加光潔、順滑。

氣相沉積技術(shù)依靠其獨特的優(yōu)勢，目前開始在業(yè)界得到廣泛的應用，但因為技術(shù)不夠成熟，制備方法上受到技術(shù)的限制，氣相沉積技術(shù)目前只能實現(xiàn)對整個活塞環(huán)基體沉積薄膜,無法滿足特殊部分表面的性能要求，并且這種整體薄膜還會使活塞環(huán)在工作過程中發(fā)生咬缸現(xiàn)象。利用氣相沉積技術(shù)在活塞環(huán)表面鍍膜，可以獲得更多受生產(chǎn)限制而無法開發(fā)的優(yōu)良鍍層活塞環(huán)，但是，還需要對此做進一步研究改進，克服只能整體鍍膜的限制，降低制備成本等，提高其適用性后，才能將氣相沉積技術(shù)廣泛使用。

4 結(jié)束語

隨著工業(yè)的發(fā)展，許多活塞環(huán)制造技術(shù)得到應用，有力地改善了活塞環(huán)的耐磨性、耐熱性以及抗疲勞性等，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求內(nèi)燃機的各項指標向更強化方向發(fā)展，相應地，高強度的活塞環(huán)也有較大的適用前景?；钊h(huán)制造技術(shù)確實存在許多弊端，且制造活塞環(huán)要綜合考慮整體性能、工藝成本、節(jié)能減排、保護環(huán)境以及相關(guān)匹配等方面的問題，目前，對于活塞環(huán)制造技術(shù)的研究，需要加大創(chuàng)新研究力度，在表面氮化處理、鉬層加粉末合金、氣相沉積以及涂層制備技術(shù)，特別是陶瓷材料涂層的應用方面加大產(chǎn)業(yè)化研究力度；在工藝成本、技術(shù)適用性和環(huán)境友好型制造業(yè)的要求等方面，進一步完善，實現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)得到深度開發(fā)，同時也要能得到廣泛的產(chǎn)業(yè)化實際應用。