徐國旺
(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油[1]。總體而言,活塞環(huán)是一種具有較大向外擴張變形能力的金屬彈性環(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)。在進行循環(huán)和往復(fù)運動時,活塞環(huán)依靠氣體或液體形成的壓力差,會在環(huán)的外圓面以及氣缸、環(huán)本身、環(huán)槽的某一個側(cè)面之間形成密封,進而發(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)過此種表面處理后,基礎(chǔ)材料的耐蝕性、耐磨性會發(fā)生定向改變,或是在裝飾等方面滿足應(yīng)用方對基礎(chǔ)材料提出的新要求。對活塞環(huán)進行表面處理后,其磨損性能會受到什么樣的影響具備較大的分析價值。本研究以此開展試驗,現(xiàn)圍繞實驗過程及結(jié)果進行分析。
針對活塞環(huán)進行表面處理時,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)由表面處理實現(xiàn)上述目的的具體原理如下。
(1)通過改性處理,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,以達到提高其耐磨性的目的。
(2)通過涂覆處理,能夠大幅度提高活塞環(huán)表面的儲油能力。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)對活塞環(huán)進行復(fù)合處理后,能夠適當提高活塞環(huán)的軟度,并通過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,能夠加速磨損,以達到縮短有效磨合期的目的。
有研究表明,使用電鍍鉻工藝對活塞環(huán)表面進行處理時,硬度提升較為明顯且耐腐蝕性能更強[4]。來自國外Materials today proceedings 期刊的報道(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)過電鍍鉻處理的活塞環(huán)的平均使用壽命提升幅度可達到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,對活塞環(huán)與內(nèi)燃機儲油潤滑效果的提高更高,且活塞環(huán)的使用壽命能夠進一步延長。還有研究表明,對活塞環(huán)表面進行多種處理(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,如果對活塞環(huán)表面進行多種形式聯(lián)合處理后,活塞環(huán)表面的抗摩擦磨損性能會大幅度增加。
通過上文所述,可以總結(jié)出一個較為明確的結(jié)論:對活塞環(huán)表面進行處理后,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、優(yōu)劣性比對相關(guān)研究數(shù)量較少。文中的研究側(cè)重點集中在此處。
2.1.1 所用設(shè)備及材料
(1)本次試驗所選用的活塞環(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)過檢驗后請確定,表面粗糙程度不超過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)過濾系統(tǒng)、閉路回收系統(tǒng)、抽風(fēng)除霧系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)。除此之外,還需準備能夠持續(xù)進行烘烤的加熱設(shè)備(必須能夠在300 ℃的高溫環(huán)境下進行連續(xù)烘烤作業(yè))。對物理氣相沉積設(shè)備(真空機組)的要求為:真空度應(yīng)該至少達到2×10-3Pa。
(3)其他工具設(shè)備及材料:顯微硬度計、電子衍射儀(主要用于進行電子衍射測試,對被檢測物體的表面情況進行肉眼不可見的深度檢測)、鍍鉻液(由鉻酐輔以少量的陰離子構(gòu)成。需注意,鍍液中Cr6+陽離子的存在形式根據(jù)鉻酐濃度的不同而有差異,本實驗中將其控制在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,以鉻酸為主要存在形式)、圓盤式摩擦磨損試驗機、CV-3100輪廓儀、潤滑油(規(guī)格型號為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對活塞環(huán)進行鍍鉻處理后,首先會在其表面形成厚度至少達到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)過熱處理后鑄鐵的2.5倍。
②在本次試驗開展過程中,如果以時鐘刻度位置,對活塞環(huán)不同位置完成基礎(chǔ)鍍鉻處理后的表面硬度進行檢測后發(fā)現(xiàn):0點位置的表面硬度介于948~971維氏硬度;3點方向的表面硬度介于944~968維氏硬度;9點方向的硬度介于950~984維氏硬度。達到上述標準,說明活塞環(huán)的硬度已經(jīng)達到標準。
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③對鍍鉻層的外觀進行檢查。由于鍍鉻層是光澤層,顯微組織會在一定程度上呈現(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、摩擦系數(shù)低、熔點高、耐腐蝕性強、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點?;诖?,為了使待試驗的鍍鉻活塞環(huán)具備上述特點,研究組成員使用顯微硬度計對活塞環(huán)表面鉻層進行觀察,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到5μm 的GrN 鍍層。使用顯微硬度計對該鍍層進行觀察及測量時,得到的結(jié)果為:①不同位置硬度方面:0點方向的表面硬度介于1210~1240維氏硬度;3點方向表面硬度介于1205~1240維氏硬度;9點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經(jīng)過PVD 處理的活塞環(huán)表面進行電子衍射測試,結(jié)果表明,PVD 處理后形成的GrN 鍍層對減少磨粒磨損、防止摩擦表面黏著磨損方面均具有十分明顯的作用。
通過兩種方式完成試驗用活塞環(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機,重點圍繞活塞環(huán)與缸套之間的摩擦磨損性能進行檢測。相關(guān)注意事項如下。
2.2.1 試驗環(huán)境及檢測設(shè)備參數(shù)調(diào)整
(1)試驗環(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機的載荷控制在200 N,轉(zhuǎn)速控制在每分鐘200r/min,測試時間控制為1h。
活塞環(huán)表面潤滑程度是否均勻在很大程度上決定本次試驗相關(guān)參數(shù)是否準確。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滑油分布同樣達到上述要求。
2.2.2 試驗開展期間
(1)研究組成員首先使用金屬桿對活塞環(huán)試樣進行控制,目的在于,將活塞環(huán)逐漸調(diào)整至配套缸套試樣的上方,之后對活塞環(huán)進行固定。
(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)試驗過程中,可以啟動電機,帶動圓盤進行轉(zhuǎn)動,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,可以對活塞環(huán)與缸套進行控制,使兩者之間發(fā)生“相對運動”。這樣做的目的在于,能夠模擬出柴油機實際運行期間的工況,之后對摩擦現(xiàn)象進行檢測。具體的檢測過程如下。
①使用壓力傳感器,對摩擦力信號進行采集,務(wù)必得到準確的摩擦系數(shù)隨著時間變化而變化的數(shù)據(jù),之后制作成趨勢圖。
②可以使用CV-3100輪廓儀,對磨損量進行檢測。具體的檢測方法為:在活塞環(huán)試樣與缸套試樣接觸前,對試樣表面的磨損程度進行檢測,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);二者接觸并運行之后,采用方法同上。將缸套、活塞環(huán)接觸并運行摩擦前后對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行計算,得出磨損過程中缸套、活塞環(huán)體積的變化情況。
2.3.1 活塞環(huán)摩擦系數(shù)特征分析
本次試驗選擇分析的活塞環(huán)及搭配缸套共計三組,分別為沒有經(jīng)過表面處理的活塞環(huán)、采用常規(guī)鍍鉻工藝進行表面處理的活塞環(huán)、使用PVD 工藝進行表面處理的活塞環(huán)。
(1)沒有經(jīng)過表面處理的活塞環(huán)。①活塞環(huán)與缸套之間的摩擦系數(shù)整體呈現(xiàn)出“波動逐漸下降”的趨勢。②在設(shè)備啟動的前5min 時間內(nèi),摩擦系數(shù)整體較大(介于0.05~0.07),波動比較??;在設(shè)備啟動5~15min 的時間內(nèi),摩擦系數(shù)有所下降(介于0.03~0.06),且在該時段內(nèi)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)(中位數(shù)值為0.0375)。
(2)經(jīng)過常規(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)的波動劇烈程度開始降低,摩擦系數(shù)均值同樣降低,長時間維持在0.03左右。③從第15min 開始,直到1h 的檢測全部結(jié)束,摩擦系數(shù)波動幅度維持穩(wěn)定狀態(tài)(與3~15min 的波動劇烈程度相比幾乎沒有明顯差異),摩擦系數(shù)進一步降低為0.025且長時間保持穩(wěn)定。
(3)經(jīng)過PVD 表面處理的活塞環(huán)。在持續(xù)1h 的時間內(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。進入第10min 開始,直到1h 時間全部結(jié)束,摩擦系數(shù)始終維持在0.025。前10min 的摩擦系數(shù)波動上限為0.0375,下限為0.0225;10min~1h 內(nèi),摩擦系數(shù)波動上限與前10min 相比沒有出現(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)對持續(xù)1h 的檢測過程進行動態(tài)檢測后,得出表面無處理的活塞環(huán)的摩擦磨損性能的變化趨勢為:首先經(jīng)歷磨合磨損期,其次進入穩(wěn)定磨損期,最后進入劇烈磨損期。在磨損的初級階段,波動十分劇烈,之后進入相對平穩(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越大,磨損劇烈程度越來越高,機械效率會明顯下降。因此,進入后期,磨損系數(shù)均值雖然沒有明顯提升,但波動幅度會再次增大,直到活塞環(huán)最終完全失效。
(2)表面經(jīng)過鍍鉻處理的活塞環(huán)所需的磨合穩(wěn)定時間低于沒有經(jīng)過表面處理的活塞環(huán),但向最終穩(wěn)定狀態(tài)進行過渡的過程會持續(xù)10~15min,此期間的摩擦系數(shù)雖然有所降低,但上下波動劇烈程度同樣沒有達到最穩(wěn)定的狀態(tài)。
(3)表面經(jīng)過PVD 處理的活塞環(huán)在整體摩擦性能方面的優(yōu)勢極大,除了前10min 短時間內(nèi)進行摩擦磨合之外,之后均保持穩(wěn)定性。
根據(jù)文中研究數(shù)據(jù)可知,表面沒有經(jīng)過任何處理的活塞環(huán),從開始投入使用到最終保持穩(wěn)定的摩擦系數(shù),過渡時間較長,且全過程的平均摩擦系數(shù)、每段時間的摩擦系數(shù)均處于較高水平,摩擦系數(shù)上下波動范圍極大。表面經(jīng)過常規(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 左右的時間對摩擦系數(shù)進行穩(wěn)定。表面經(jīng)過PVD 處理的活塞環(huán),除了前10min 的短暫波動之外,全過程摩擦系數(shù)均保持穩(wěn)定狀態(tài)??傮w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。