廖東林 LIAO Dong-lin 王謀 WANG Mou 馮菊 FENG Ju

摘要：國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段針對(duì)于內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面處理各項(xiàng)技術(shù)研究逐步增多，為更好地選定其表面處理各項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)更好地發(fā)揮，鑒于此，本文側(cè)重于總結(jié)分析內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的表面有效處理技術(shù)總體研究及運(yùn)用情況，期望可以為后續(xù)更多研究學(xué)者對(duì)此類課題的實(shí)踐研究提供有價(jià)值的指導(dǎo)或者參考。

Abstract： At this stage， domestic researches on various technologies for the surface treatment of internal combustion engine piston rings are gradually increasing. In order to better select various surface treatment technologies and realize the better use of various technical advantages， this article focuses on the summary Analyzing the overall research and application of the effective surface treatment technology of internal combustion engine piston rings， it is hoped that it can provide valuable guidance or reference for more researchers in the future on the practical research of such topics.

關(guān)鍵詞：活塞環(huán);內(nèi)燃機(jī);表面;處理技術(shù)

Key words： piston ring;internal combustion engine;surface;processing technology

中圖分類號(hào)：TK402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0030-02

0? 引言

國(guó)內(nèi)各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)現(xiàn)階段得以持續(xù)的進(jìn)步發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面處理層面各項(xiàng)技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，為能更好地選擇及應(yīng)用其表面處理科學(xué)技術(shù)，做好內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的表面有效處理技術(shù)綜合分析，有著一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

1? 研究?jī)?nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的表面有效處理技術(shù)現(xiàn)狀

內(nèi)燃機(jī)，從屬動(dòng)力機(jī)械的一種，機(jī)器內(nèi)部使燃料燃燒，直接把所放出熱能轉(zhuǎn)換成動(dòng)力熱力的一種發(fā)動(dòng)機(jī)。在廣義層面，內(nèi)燃機(jī)內(nèi)含自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)葉輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、往復(fù)活塞內(nèi)燃機(jī)，但人們常提及到的內(nèi)燃機(jī)通常為活塞內(nèi)燃機(jī)。這種活塞內(nèi)燃機(jī)普遍為復(fù)活塞式。這種活塞形式內(nèi)燃機(jī)有效混合燃料及空氣，并在汽缸內(nèi)部充分燃燒，所釋放出來(lái)熱能，致使汽缸內(nèi)部有高壓高溫燃?xì)猱a(chǎn)生[1]。燃?xì)馀蛎涍^(guò)后，對(duì)活塞做功起到推動(dòng)作用，經(jīng)曲柄連桿或其余機(jī)構(gòu)輸出機(jī)械做功，對(duì)機(jī)械工作起到驅(qū)動(dòng)作用。內(nèi)燃機(jī)當(dāng)中，活塞環(huán)從屬重要構(gòu)成部分，有著支撐、儲(chǔ)油、封閉、導(dǎo)熱各種作用。若無(wú)活塞環(huán)，則內(nèi)燃機(jī)難以維持正常的運(yùn)行。故制作內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)汽機(jī)，要求制作材料務(wù)必有著優(yōu)良導(dǎo)熱特性、耐腐蝕特性、耐高溫特性、耐腐蝕特性且易加工各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，可以和氣缸材料整個(gè)表面磨合良好，如此才可確保有效發(fā)揮該活塞環(huán)自身價(jià)值。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)多為球墨鑄鐵及專用鋼材類型材料。球墨鑄鐵類型的活塞環(huán)，其耐磨特性優(yōu)良，但球墨鑄鐵類型活塞環(huán)自身所具備力學(xué)特性及加工特性卻往往無(wú)法滿足于內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高速高載運(yùn)行層面要求。相比較于球墨鑄鐵類型的活塞環(huán)，鋼制類型的活塞有著優(yōu)良耐腐蝕特性、環(huán)耐高溫特性、力學(xué)性能及機(jī)械加工特性，但無(wú)優(yōu)良耐磨特性，表面需經(jīng)改性處理過(guò)后才可加工生產(chǎn)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)業(yè)現(xiàn)階段均是以引入國(guó)外先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)所發(fā)展開(kāi)來(lái)，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)在加工制造總體水平上仍和國(guó)外差距較大，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)多進(jìn)口相應(yīng)的專用鋼材，故與生產(chǎn)實(shí)際情況相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)表面處理科學(xué)技術(shù)的合理選定，其對(duì)活塞環(huán)自身使用特性的提升、優(yōu)化，人力及生產(chǎn)成本的有效節(jié)約來(lái)說(shuō)均有著積極作用。

2? 內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的表面有效處理技術(shù)運(yùn)用情況

2.1 在應(yīng)用原則層面

伴隨現(xiàn)代科技持續(xù)進(jìn)步發(fā)展，涌現(xiàn)出更多全新工藝及技術(shù)，廣泛引入至內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)當(dāng)中，尤其是對(duì)其耐磨特性起到良好優(yōu)化作用的表面強(qiáng)化處理各項(xiàng)技術(shù)，涉及到較多全新工藝技術(shù)及材料，但實(shí)際應(yīng)用期間仍需遵守各項(xiàng)基本原則，以便于更好地發(fā)揮各項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更好地處理內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的表面。一是，所選定技術(shù)工藝務(wù)必與內(nèi)燃機(jī)自身有著良好匹配性，新型的耐磨涂層應(yīng)用，務(wù)必以不會(huì)對(duì)正常使用缸套產(chǎn)生影響為基礎(chǔ)，盡量將活塞環(huán)實(shí)際使用壽命有效延長(zhǎng)。所選定技術(shù)，務(wù)必能夠?qū)?nèi)燃機(jī)自身性能提升，如將油耗降低、排放各種污染物得以減少等，切勿僅僅側(cè)重于將活塞環(huán)實(shí)際耐磨特性增強(qiáng)，致使其余特性受損現(xiàn)象產(chǎn)生[2];二是，注重各項(xiàng)技術(shù)手段科學(xué)選定，制作方法切勿與環(huán)保有沖突產(chǎn)生，也就是制作整個(gè)過(guò)程均應(yīng)當(dāng)盡量將有毒氣體及物質(zhì)排放有效減少，切勿污染到周邊環(huán)境，且應(yīng)注重工藝品質(zhì)及生產(chǎn)效率的有效提升;三是，重視成本控制。企業(yè)從事生產(chǎn)主要目的便是實(shí)現(xiàn)更多效益獲取，故選定各項(xiàng)技術(shù)期間，務(wù)必著重考慮到使用壽命、工藝及材料成本各個(gè)層面，以各項(xiàng)技術(shù)的高效運(yùn)用下，確保理想收益得以實(shí)現(xiàn)。

2.2 在鍍鉻技術(shù)層面

內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面的鍍鉻技術(shù)，其對(duì)活塞環(huán)實(shí)際使用壽命可起到延長(zhǎng)作用。鍍鉻技術(shù)之下，對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)外圓部分增設(shè)相應(yīng)鍍鉻層，優(yōu)化活塞環(huán)整個(gè)摩擦面實(shí)際性能，對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)總體工作性能起到有效增強(qiáng)的作用。經(jīng)大量試驗(yàn)分析均證明了，活塞環(huán)首道環(huán)增設(shè)相應(yīng)鍍鉻層厚，可減少活塞環(huán)的氣缸套所受到磨損，明顯延長(zhǎng)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)實(shí)際使用壽命。鍍鉻層有著極具緊密性結(jié)構(gòu)，結(jié)晶內(nèi)部未殘留雜質(zhì)，摩擦特性及耐腐蝕特性均優(yōu)良，有效改善其硬度，1000HV為最高。經(jīng)過(guò)大量對(duì)此項(xiàng)技術(shù)深入研究，對(duì)鍍鉻層實(shí)際潤(rùn)滑特性起到有效強(qiáng)化作用全新工藝被研發(fā)出來(lái)，鍍鉻層整體完成過(guò)后，改變極性的反向通電， 確保鍍鉻層整個(gè)表面能夠浸蝕出網(wǎng)[3]。各網(wǎng)互相連接，可增強(qiáng)它自身潤(rùn)滑特性。借助噴砂或者多孔膜的腐蝕，活塞環(huán)所在表面會(huì)有形狀及大小不一的坑產(chǎn)生，通過(guò)松孔的鍍鉻層來(lái)存儲(chǔ)油量，可確內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)及缸套維持優(yōu)良潤(rùn)滑特性，但鍍鉻層處理工藝運(yùn)用期間，所產(chǎn)生毒性相對(duì)較大，即便積極落實(shí)防范工作，仍然會(huì)污染到環(huán)境。鍍鉻技術(shù)操作期間，所需人力較大，有著較高耗能，經(jīng)濟(jì)可行性較差。大量實(shí)踐研究表明了鍍鉻層十分脆弱，堅(jiān)固性較差，倘若潛在著缺陷問(wèn)題，則極易產(chǎn)生碎裂脫落現(xiàn)象，大量小顆粒會(huì)被分解出來(lái)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部氣缸運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響。

2.3 在氮化處理技術(shù)層面

內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面的氮化處理技術(shù)所具備優(yōu)勢(shì)集中表現(xiàn)為較強(qiáng)工藝性、可靠性、安全性、高經(jīng)濟(jì)性、無(wú)污染性，故此項(xiàng)技術(shù)被研發(fā)出來(lái)后，獲取業(yè)內(nèi)人士廣泛關(guān)注及青睞，廣泛運(yùn)用至部分發(fā)達(dá)國(guó)家當(dāng)中，逐步代替原有高耗能、破壞環(huán)境的電鍍鉻層技術(shù)工藝。因氮化處理技術(shù)自身優(yōu)勢(shì)較為突出，故國(guó)內(nèi)企業(yè)便熱衷于研究及運(yùn)用內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面的氮化處理技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)手段所涉及到處理手段有三種，即離子表面、氣體表面、鹽浴表面這幾種氮化處理手段。氣體表面的氮化處理，其比較適宜應(yīng)用至不銹鋼奧氏體內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面處理，大部分是因其有著高生產(chǎn)效率、安全性及經(jīng)濟(jì)性突出、可更好地把控成本，能夠處理有毒物相關(guān)污染層面問(wèn)題[1]。在一定程度上，與氣體及鹽浴表面的氮化處理手段，離子表面的氮化處理手段往往很難把控成本，且加工生產(chǎn)效率低，但能夠選擇性對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面實(shí)施有效氮化處理，以至于整體對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)實(shí)施氮化處理期間所產(chǎn)生硬質(zhì)側(cè)面，其針對(duì)于活塞環(huán)槽的內(nèi)表面所產(chǎn)生摩擦及磨損能夠得以減少，有效提升內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)整體光密封度，此項(xiàng)技術(shù)實(shí)操便捷，但對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)實(shí)施氮化處理過(guò)后，表面硬度下降，將無(wú)法滿足于內(nèi)燃機(jī)的高載高速層面使用需求，故具體選用期間務(wù)必予以著重考慮。

2.4 在PVD和CVD鍍膜技術(shù)層面

PVD和CVD鍍膜技術(shù)，80年代早期便已應(yīng)用開(kāi)來(lái)，主要是借助PVD技術(shù)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面實(shí)施陶瓷薄膜TiN沉積處理。而后，PVD和CVD的全新鍍膜處理技術(shù)便被研發(fā)出來(lái)，借助此項(xiàng)技術(shù)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面實(shí)施SiN、CrN、BN相應(yīng)陶瓷薄膜的有效沉積處理，現(xiàn)階段在生產(chǎn)過(guò)程已廣泛運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)手段。歷經(jīng)多年實(shí)踐研究，對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面實(shí)施陶瓷薄膜有效處理過(guò)后，增強(qiáng)自身耐磨特性，還改善其磨損摩擦特性。但因制作工藝仍有欠缺，以至于陶瓷薄膜實(shí)際厚度較為不足，大部分均為3～5μm，以至于活塞環(huán)自身承載力難以滿足于內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高載高速性運(yùn)行需求，且因受鍍膜處理技術(shù)層面限制，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)當(dāng)中，陶瓷膜需要整體沉積，但卻極易產(chǎn)生咬缸問(wèn)題。因復(fù)雜的施工工藝、較高生產(chǎn)成本因素存在，以至于限制了陶瓷鍍膜處理技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，其真實(shí)價(jià)值難以得到更好地發(fā)揮，今后仍然需增加對(duì)此方面的進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。

2.5 在鉬涂技術(shù)層面

內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面位置噴鉬處理，現(xiàn)階段以等離子、火焰這兩種噴涂手段為主。內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)往往自身有著不會(huì)拉傷到氣缸、耐磨和耐高溫相關(guān)特性。鉬涂層，其可有效結(jié)合基體，孔隙率在10～15%左右，有著優(yōu)良儲(chǔ)油效果，但相比較鍍鉻環(huán)，磨損高，過(guò)高溫度環(huán)境下，氧化剝落極易產(chǎn)生?；钊h(huán)內(nèi)部若潤(rùn)滑油較少，則噴鉬環(huán)會(huì)加劇摩擦磨損[4]?？梢哉f(shuō)，此項(xiàng)技術(shù)手段抗磨損特性相對(duì)較差，純鉬涂層無(wú)法更好地滿足于內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)實(shí)現(xiàn)高載高速運(yùn)行層面需求。在今后仍然需增加對(duì)此方面的深入研究，尤其側(cè)重于研究鉬和其余相應(yīng)材料復(fù)合涂層實(shí)踐研究，以便于獲取更具理想化研究成果。

2.6 在等離子形式噴涂陶瓷的涂層技術(shù)層面

陶瓷涂層當(dāng)中，合成樹(shù)脂、陶瓷微粒均屬于重要構(gòu)成部分，噴涂技術(shù)之下，圍繞著內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)所在表面實(shí)施陶瓷涂層有效噴涂處理，有效提升活塞環(huán)自身耐磨特性、加工特性、機(jī)械特性。氣缸和內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)若有摩擦產(chǎn)生情況下，陶瓷涂層所在表面所摩擦掉微粒實(shí)際直徑通常≤油膜厚度，該部分被摩擦掉微粒并不會(huì)對(duì)油膜形成產(chǎn)生破壞作用。陶瓷涂層優(yōu)勢(shì)集中表現(xiàn)于高生產(chǎn)率、優(yōu)良支撐特性、隔熱特性、耐高溫及耐腐蝕特性、高硬度性，能夠充分滿足于內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)實(shí)際應(yīng)用需求，能夠處理好陶瓷涂層部位材料所產(chǎn)生應(yīng)力剝落層面問(wèn)題。

3? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的表面有效處理技術(shù)現(xiàn)階段以鍍鉻技術(shù)、氮化處理技術(shù)、PVD和CVD鍍膜技術(shù)、鉬涂技術(shù)、等離子形式噴涂陶瓷的涂層技術(shù)等為主，不同處理技術(shù)均有著各自優(yōu)勢(shì)及缺陷，需結(jié)合實(shí)際處理需求及情況予以合理選定，如此才可確保對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的表面實(shí)現(xiàn)更為科學(xué)合理化的處理。

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