表面处理对活塞环摩擦磨损性能影响的试验研究

徐国旺

（安庆帝伯格茨活塞环有限公司，安徽安庆 246005）

活塞环一般是指嵌入活塞槽沟内部的金属环，以压缩环和机油环为主。前者的主要作用在于密封燃烧室内的可燃混合气体，后者可用于刮涂气缸上多余的机油[1]。总体而言，活塞环是一种具有较大向外扩张变形能力的金属弹性环状制品，一般被放置于某些结构的剖面或环形槽内。在进行循环和往复运动时，活塞环依靠气体或液体形成的压力差，会在环的外圆面以及气缸、环本身、环槽的某一个侧面之间形成密封，进而发挥相应的作用。表面处理是指在基础材料表面上，经由人工作业，形成一层与基础材料物理、化学性能存在差异的新表层[2]。经过此种表面处理后，基础材料的耐蚀性、耐磨性会发生定向改变，或是在装饰等方面满足应用方对基础材料提出的新要求。对活塞环进行表面处理后，其磨损性能会受到什么样的影响具备较大的分析价值。本研究以此开展试验，现围绕实验过程及结果进行分析。

1 现有活塞环表面处理方法及效果

针对活塞环进行表面处理时，常用的方法分为三种，包含改性处理、涂覆处理、复合处理。尽管处理方式不同，但对活塞环表面摩擦性能造成影响是一致的——可以提高活塞环表面的摩擦磨损性能。经由表面处理实现上述目的的具体原理如下。

（1）通过改性处理，可以提高活塞环表面的硬度[3]。以此为基础，能够在很大程度上降低活塞环的磨料磨损发生率。不仅如此，还能够在活塞环的工作表面上生成一层硬质程度较高的金属层，以达到提高其耐磨性的目的。

（2）通过涂覆处理，能够大幅度提高活塞环表面的储油能力。以此为基础，活塞环被放置于某些设备结构的剖面及环形槽特定位置之后，处于高温工况下的抗磨损性能会得到提升。由于此种表面处理方法同样能够在活塞环表面添加覆层，故可以降低在高温环境下干摩擦的发生率。

（3）对活塞环进行复合处理后，能够适当提高活塞环的软度，并通过向其中增添易磨损物质的情况，使活塞环在此种情况下与气缸接触时，能够加速磨损，以达到缩短有效磨合期的目的。

有研究表明，使用电镀铬工艺对活塞环表面进行处理时，硬度提升较为明显且耐腐蚀性能更强[4]。来自国外Materials today proceedings 期刊的报道（作者为Jayakumar N 等人）给出的结论为：相较于普通的活塞环，经过电镀铬处理的活塞环的平均使用寿命提升幅度可达到50%以上。除了电镀铬处理方式之外，松孔镀铬也是一种常用的活塞环表面镀铬处理方法。朱峰等人的研究结果表明，这种工艺能够使活塞环工件表面额外增加呈网状分布的孔隙结构。以这种形式分布的铬层质量更轻，对活塞环与内燃机储油润滑效果的提高更高，且活塞环的使用寿命能够进一步延长。还有研究表明，对活塞环表面进行多种处理（包括镀铬处理、喷钼处理等）后，活塞环表面的硬度不仅得到提升，摩擦系数还会显著降低。不仅如此，表面新增的陶瓷微孔隙及颗粒（受陶瓷复合处理后新增）有助于提高活塞环的耐磨性。相关数据为，经由陶瓷复合镀铬处理后的活塞环，在寿命期内，表面磨损率是经由喷钼单一表面处理后活塞环的0.02%。这一夸张的数据差表明，在条件允许的情况下，如果对活塞环表面进行多种形式联合处理后，活塞环表面的抗摩擦磨损性能会大幅度增加。

通过上文所述，可以总结出一个较为明确的结论：对活塞环表面进行处理后，能够在一定程度上提高活塞环表面的抗摩擦磨损性能。其中，活塞环表面镀铬处理以及能够大幅度提高活塞环表面硬度的镀PVDWCN 膜的方式在很多文献中均有提及。但在相同工况下，镀铬及PVD 处理后的活塞环抗摩擦磨损性能的直接效果比对、优劣性比对相关研究数量较少。文中的研究侧重点集中在此处。

2 表面处理对活塞环摩擦磨损性能影响的试验分析

2.1 表面处理作业的方法选择及应用的设备及材料

2.1.1 所用设备及材料

（1）本次试验所选用的活塞环试样全部为常规的锥面环。具体规格参数为：①由合金铸铁构成；②环直径为114mm，经过检验后请确定，表面粗糙程度不超过1.9μm；③所选择与活塞环配合的缸套材料的主要原材料为硼含量较高的铜铸铁，外径（直径）为106mm，内径为96mm。与活塞环相同，缸套的表面粗糙程度同样不超过1.9μm。

（2）所选用的表面处理工艺为镀铬处理及PVD处理，使用的设备包括渡槽系统、循环过滤系统、闭路回收系统、抽风除雾系统、自动控制系统。除此之外，还需准备能够持续进行烘烤的加热设备（必须能够在300 ℃的高温环境下进行连续烘烤作业）。对物理气相沉积设备（真空机组）的要求为：真空度应该至少达到2×10-3Pa。

（3）其他工具设备及材料：显微硬度计、电子衍射仪（主要用于进行电子衍射测试，对被检测物体的表面情况进行肉眼不可见的深度检测）、镀铬液（由铬酐辅以少量的阴离子构成。需注意，镀液中Cr6+阳离子的存在形式根据铬酐浓度的不同而有差异，本实验中将其控制在400 g/L 以下，主要以铬酸和重铬酸的形式存在，溶液pH 值＞6时，以铬酸为主要存在形式）、圆盘式摩擦磨损试验机、CV-3100轮廓仪、润滑油（规格型号为CH-4）、金属杆、压力传感器等[5]。

2.1.2 工艺方法

（1）镀铬处理。按照常规工业镀铬方式开展，流程及相关处理作业要素如下。

①对活塞环进行镀铬处理后，首先会在其表面形成厚度至少达到0.12mm 的一层“硬铬”。这层硬铬物质的硬度是普通铸铁的4.6倍，是经过热处理后铸铁的2.5倍。

②在本次试验开展过程中，如果以时钟刻度位置，对活塞环不同位置完成基础镀铬处理后的表面硬度进行检测后发现：0点位置的表面硬度介于948～971维氏硬度；3点方向的表面硬度介于944～968维氏硬度；9点方向的硬度介于950～984维氏硬度。达到上述标准，说明活塞环的硬度已经达到标准。

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③对镀铬层的外观进行检查。由于镀铬层是光泽层，显微组织会在一定程度上呈现出网状的裂纹，可以改善镀层的耐磨性。正因如此，完成对活塞环的镀铬作业之后，活塞环才能呈现出硬度高、耐磨性强、摩擦系数低、熔点高、耐腐蚀性强、热膨胀系数小等优点。基于此，为了使待试验的镀铬活塞环具备上述特点，研究组成员使用显微硬度计对活塞环表面铬层进行观察，显微镜下铬层显示结果应该呈现出均匀分布的网状裂纹，若不满足该要求，则应更换样本并重新镀铬。

（2）PVD 处理。基于此种方式完成PVD 处理作业之后，要求活塞环的表面必须形成厚度至少达到5μm 的GrN 镀层。使用显微硬度计对该镀层进行观察及测量时，得到的结果为：①不同位置硬度方面：0点方向的表面硬度介于1210～1240维氏硬度；3点方向表面硬度介于1205～1240维氏硬度；9点方向的表面硬度介于1213～1249维氏硬度。PVD 处理活塞环后，由于活塞环表面会存在较大的残余压应力，故在活塞环工作期间，这种残余压应力能够有效抵消摩擦力，同样能够使活塞环的耐磨、耐高温、化学性能得到有效提升。除此之外，本研究开展期间，研究组成员使用电子衍射仪对经过PVD 处理的活塞环表面进行电子衍射测试，结果表明，PVD 处理后形成的GrN 镀层对减少磨粒磨损、防止摩擦表面黏着磨损方面均具有十分明显的作用。

2.2 针对活塞环进行摩擦磨损试验过程

通过两种方式完成试验用活塞环的制备处理之后，分别将两种活塞环放置于配套缸套之上，使用圆盘式摩擦磨损试验机，重点围绕活塞环与缸套之间的摩擦磨损性能进行检测。相关注意事项如下。

2.2.1 试验环境及检测设备参数调整

（1）试验环境只需保持室温环境即可，控制在20～25℃之间。

（2）圆盘式摩擦磨损试验机的载荷控制在200 N，转速控制在每分钟200r/min，测试时间控制为1h。

活塞环表面润滑程度是否均匀在很大程度上决定本次试验相关参数是否准确。因此，必须基于离心力原理，使润滑油首先在活塞环表面均匀分布，之后使活塞环与缸套接触面中的润滑油分布同样达到上述要求。

2.2.2 试验开展期间

（1）研究组成员首先使用金属杆对活塞环试样进行控制，目的在于，将活塞环逐渐调整至配套缸套试样的上方，之后对活塞环进行固定。

（2）在金属杆的另一端增加应力，使载荷传递至摩擦副端（载荷区间应该控制在10～4 500 N）。

（3）试验过程中，可以启动电机，带动圆盘进行转动，区间可以控制在10～700r/min。确定相关参数处于上述范围内之后，可以对活塞环与缸套进行控制，使两者之间发生“相对运动”。这样做的目的在于，能够模拟出柴油机实际运行期间的工况，之后对摩擦现象进行检测。具体的检测过程如下。

①使用压力传感器，对摩擦力信号进行采集，务必得到准确的摩擦系数随着时间变化而变化的数据，之后制作成趋势图。

②可以使用CV-3100轮廓仪，对磨损量进行检测。具体的检测方法为：在活塞环试样与缸套试样接触前，对试样表面的磨损程度进行检测，使用的方法为：在活塞环与缸套表面，沿着法向记录轮廓尺寸的变化情况，并记录相关数据；二者接触并运行之后，采用方法同上。将缸套、活塞环接触并运行摩擦前后对应的数据进行计算，得出磨损过程中缸套、活塞环体积的变化情况。

2.3 试验结果与讨论分析

2.3.1 活塞环摩擦系数特征分析

本次试验选择分析的活塞环及搭配缸套共计三组，分别为没有经过表面处理的活塞环、采用常规镀铬工艺进行表面处理的活塞环、使用PVD 工艺进行表面处理的活塞环。

（1）没有经过表面处理的活塞环。①活塞环与缸套之间的摩擦系数整体呈现出“波动逐渐下降”的趋势。②在设备启动的前5min 时间内，摩擦系数整体较大（介于0.05～0.07），波动比较小；在设备启动5～15min 的时间内，摩擦系数有所下降（介于0.03～0.06），且在该时段内保持相对稳定的状态（中位数值为0.0375）。

（2）经过常规镀铬表面处理的活塞环。①在前3min，摩擦系数的波动剧烈程度最高，摩擦系数均值处于0.05左右；②从第3min 开始，摩擦系数的波动剧烈程度开始降低，摩擦系数均值同样降低，长时间维持在0.03左右。③从第15min 开始，直到1h 的检测全部结束，摩擦系数波动幅度维持稳定状态（与3～15min 的波动剧烈程度相比几乎没有明显差异），摩擦系数进一步降低为0.025且长时间保持稳定。

（3）经过PVD 表面处理的活塞环。在持续1h 的时间内，以第10min 作为分割线。前10min 内，摩擦系数的中位数为0.035，之后逐渐降低至30.025左右。进入第10min 开始，直到1h 时间全部结束，摩擦系数始终维持在0.025。前10min 的摩擦系数波动上限为0.0375，下限为0.0225；10min～1h 内，摩擦系数波动上限与前10min 相比没有出现任何变化，下限降低至0.0175。

2.3.2 摩擦表面的形貌特征以及磨损量相关分析

（1）对持续1h 的检测过程进行动态检测后，得出表面无处理的活塞环的摩擦磨损性能的变化趋势为：首先经历磨合磨损期，其次进入稳定磨损期，最后进入剧烈磨损期。在磨损的初级阶段，波动十分剧烈，之后进入相对平稳的磨损期（此期间内，活塞环的性能保持稳定）。但随着磨损程度的加剧，活塞环与缸套表面材料的损失程度越来越大，磨损剧烈程度越来越高，机械效率会明显下降。因此，进入后期，磨损系数均值虽然没有明显提升，但波动幅度会再次增大，直到活塞环最终完全失效。

（2）表面经过镀铬处理的活塞环所需的磨合稳定时间低于没有经过表面处理的活塞环，但向最终稳定状态进行过渡的过程会持续10～15min，此期间的摩擦系数虽然有所降低，但上下波动剧烈程度同样没有达到最稳定的状态。

（3）表面经过PVD 处理的活塞环在整体摩擦性能方面的优势极大，除了前10min 短时间内进行摩擦磨合之外，之后均保持稳定性。

3 结束语

根据文中研究数据可知，表面没有经过任何处理的活塞环，从开始投入使用到最终保持稳定的摩擦系数，过渡时间较长，且全过程的平均摩擦系数、每段时间的摩擦系数均处于较高水平，摩擦系数上下波动范围极大。表面经过常规镀铬处理的活塞环综合摩擦性能优于未经任何处理的活塞环，但需要15min 左右的时间对摩擦系数进行稳定。表面经过PVD 处理的活塞环，除了前10min 的短暂波动之外，全过程摩擦系数均保持稳定状态。总体而言，PVD 处理后的摩擦性能优于常规镀铬处理，常规镀铬处理优于未处理。