活塞环表面处理

1、活塞环表面处理1. 环表面处理的变迁镀硬铭环已使用半个多世纪，它与非表面处理比较，其耐磨性、耐熔着磨损性有了飞跃的改善。现在活塞环生产中有 60姆上的经镀硬铭的表面处理。火焰喷涂活塞环始于 1960年代，当内燃机高功率化， 活塞环镀硬铭开始不适应，热负荷高的内燃机从1970年代开始用喷镀环。钳、合金、碳化物等喷涂应用于活塞环。1980 年代初开发了氮化，80年代中期开发了复合分散镀。80年代后期开发了 PVD TiN涂层用于活塞环，90年开始开发PVD CrN涂层，PVD陶瓷涂覆表面处理新技术、期待今后更大的发展。2. 电镀2.1镀硬铭在活塞环的表面处理中， 镀硬铭为历史最长久，镀层厚度5-3

2、00 m比装饰铭0.1-5.0m厚得多，硬铭镀层特点为： Hv800-1000 耐磨。 摩擦系数低。 熔点1890 C耐熔着磨损性好。 耐蚀性好，耐腐蚀磨损性强。图7.1为铸铁镀铭顶环与铸铁非表面处理的顶环和缸套匹配使用，顶环闭合间隙增大值和缸套磨损量E17-2明夕口 於十言蛆理国"辟角触铭4里图7.2环的镀铭处理5.o.5Q5iogs.Lt.<卜 ¥y?xnilI 政正闭会而遗馅盂值f图7.1镀硬铭环的影响比较，从图7.1看出镀硬铭环有优良的耐磨性和对缸套好的减磨性。图7.2为镀铭处理，环在镀槽中的放置和处理方法。图 7.3为镀铭环断面的金相组织。镀铭废水处理应控制

3、有害6价铭的含量。2图7.3镀铭环断面的金相组织2.2镣基复合分散镀表7.1分散镀的基质与分散微粒基质分散微粒NiAl2O、Cr2。、Fe2。、TiO2、ZrO2、Th。、SiO2、CeO、BeQ、MgO CdO金刚石，SiC、TiC、WC VC ZrC、TaG CG、BG BN( a , 3 )、ZrB2、TiN、Si3N、WS2、PTFE 氮化石墨、石墨、MoS、WS、Ca扃、BaS。、SrSo4、ZnS、CdSTiH2、Cr、M）、TiNi、Fe、W V、Ta、玻璃、陶土、微空心粒。CuAI2O (8丫)、TiO2、ZrO2、SiO2、CeO、SiC、TiC、WC ZrC、NbG B4G

4、 BNC3B、PTFE 氮化石墨、石墨、MoS、W富 CaR、BaS6 SrSo4.CoAI2O、Cr2。、Cr3G、WC TaG ZrB2、BN Cr3B2FeAI2O、F2Q、SiC、WC 8 PTFE MoSCrAI2O、CeO、ZrO2、TiO2、SiO2、UO、SiC、WC ZrB2、TiB2AuAI2O、g、SiO2、TiO2、Th。、CeO、TiC、WC Cr3B2AgAI2O、TiO2、BeO SiC、BN MoS、刚玉、石墨ZnZ6 SiO2、TiO2、Cr O SiC、TiC、Cr3C2、AICdAI2O、F2Q、BC、刚玉PbAI2O、TiO2、TiC、BG Si、Sb、

5、刚玉Sn刚玉Ni-CoAI2O、RuONi-FeAI2O、RLbQ、SiC、CfG、 BNNi-MnAI2O、SiC、EG、BNPb-SnTiO2Ni-PAI2O、Cr2。、SiC、Cr3C2Ni-BAI2O、CE、SiC、Cr3C2Co-BAI2O、C”。、BN复合分散镀是用固体微粒（分散粒子）与基质金属形成的复合镀层。选用分散粒子使镀层具有耐磨，耐蚀，自润滑等优良性能。分散粒子有氮化物、碳化物、氧化物、氟化物、硅化物等见表 7.1表7.2。镣基分散镀的细颗粒，Si3hk、Sic、TiC、TiC、Cr3G相比较可看出Si 3hk有优良的抗熔着磨损性能，TiN、TiC、Si 3N1有良好的耐磨

6、性能，它们都比镀铭层优越。3表7.2各种分散微粒的物理性能分散微粒,3带 g/cm硬度HV熔点（分解温度）Sic3.225002480B4C2.525002750C23Q6.723001890Tac/Ta 2C14.652500约 3000TiC4.925002100WC15.6约 23002870ZrC6.53100AI2Q3.4约 23002050Cr2O5.0约 23002000FeaQ5.9约 12001565SiO22.65约 13001710ZrQ25.5约 16002690C3B6.2约 18001550TaBa12.4约 18003150T旧/TiB 24.5约 1800290

7、0BN2.0约2.52680Si3N3.41900TaSi212.43150Si2.4约 13001410C2.2约 80002678图7.4为复合分散镀的分散材料变化时对滑动性能的影响，从图可知；Si3刈在众多的固体微粒中，不论抗熔着磨损还是耐磨都有良好表现， 多种复合分散镀的耐磨性比镀铭层好得多，SiC、TiC本身耐磨。5t回* IG2 _ Q>基体材料比辍材料 Si,N.S 汇TiC Tibi CrjC,塞.姓100S虬饕40'项s门HT瑚n n比H材昭行依粒亍情铭期叫SiCTiCTNegb魅2:3二4-图7.4复合分散镀的分散材料变化对滑动性能的影响。15图超高压蝉擦试盟

8、机BT250桐浦汕SAE30200400 W&(t) 扣'煲3¥&月_ 七图7.5热处理温度与复合分散镀硬度 含磷7如上的Ni-P合金是一种非晶体镀层， 图7.5为热处理温度与复合分散镀硬度的变 化关系，镀前硬度Hv600,热处理过程Ni3P析 出约在400 C硬度Hv上升到900提高了耐磨 性。图7.6为各种表面处理耐熔着磨损性能的比 较，由图看出复合分散镀有很好的耐熔着磨损性，它比镀铭、氮化的抗拉缸性能优越。图7.7为氮化环进行复合分散镀的断面组织。(译者注：由图可知从上往下数的第二层即复合分散镀层厚度约为 7山m从上往下数的第三层 即氮化层厚70 m,从

9、上往下数的第四层约为环 的基材)。、图7.7复合分散镀断面的组织图7.8各种表面处理材料的磨损比 较，由图可知复合分散镀耐磨性能优越图7.8各种表面处理环的磨损性能2.3镀锡53150ion在镀铭层复合一层软质，展延性优良的镀锡层，在运转初期缩短磨合期，图 7.9表明镀铭+Sm环润滑油耗量在运转初期比单镀铭的低。n1>05?100图7.9镀铭环与镀铭+Sn环运转时润滑油耗量的比较。3.喷涂喷涂是用专用设备把线材熔化或软化（半熔状态）高速喷射到基材表面形成喷涂层，喷涂层组织中还有适量氧化物，气孔。图 7.10为喷涂分类。我村啧涂 棒材喷徐 粉知林电孤咬谅.赛W吗伯岳品裱金（舔孺斗帽 线Mi

10、余图7.10喷涂分类图7.11火焰式喷枪的构造图7.11为火焰式喷枪的构造，金属丝的输送装置通过滚轮供给线材，火焰熔化线材到半熔状态，压缩空气将喷涂材料高速吹向基材表面。线材组成、压缩空气与混合气体的混合比、喷射距离、线材供给速度等使喷涂层特性发生变化。喷钳特点： 硬度HV700以上。 摩擦系数低 熔点高达2630 C 耐腐蚀性好 导热性好松孔存油性能好寸卜A Ah -A"、 iplllllb 80150 mm作 SiZfX色双我体直流尸一”溶射册相图7.12铸铁环镀铭喷钳非表面处理耐磨性比较图7.13离子涂原理喷钳与镀铭比较，钳的熔点高达2630 C、储油性好，耐腐蚀性强，尤为抗拉

11、缸性好，耐磨性能比镀铭的差参见图7.12。3.2离子涂图7.13为离子涂原理，阴极与阳极之间发生直流电弧，运动的气体（译者注：加热到6000C的惰性气体）通过此电弧，外层电子从气体原子上分离出来形成等离子体、当等离子体从喷咀中喷出时，运动的气体将喷涂材料粉末射入等离子体中，等离子将粉末加热并使其加速喷射到基材表面形成离子涂层。图7.14为火焰式离子镀的温度场。在喷涂材料中，使用多种金属钳的混合材料比单独的纯钳要好，能获得高硬度、耐磨、低摩擦系数的涂层。图7.15为离子喷涂活塞环的断面组织，它相当致密。（译者注：从图中的孔隙率较低可看出其微密程度）。4. 氮化氮化层硬度与基材成分关系较大，参见图

12、7.16。基材铭钮铝含量高的氮化后硬度高，选定基材相 当重要。含铭高的钢氮化后基材中含有碳氮化物粒子，使材料具有优良的耐磨性。图7.17氮化环的磨损特性图7.16合金元素氮化最高硬度的影响图7出氯化屋深度与硬度美1图7.19氮化环的断面组织氮化处理的种类及特征参见表7.3知S如化利理的种关氐芝特任气氛.处理温度被处理材料特点it化8系款浴500-600r新铁、不锈钢 合金钢，工具钢氤基公害，目前已克服如QPQ盐浴复会 处理.钢神形状不受限制如畅环$鹏3炯）处理后，必领清洗.%体策化NKMX气体NE!3+ Ni+COtM3i+NHft N空气件廿05叫匚g、合金钢 工具钢.马氐体不锈铜无公害；是

13、氏体不锈钢困雄；号氏体不锈钢要预处理 （ 如铜质环）;适合亍含碳量高的钢耗.离子氮化临+由低建戒电 1-10(1托-133. 322P1200-100075 叩 some 采用低速放电加热同盐浴氯化.无公害；氯化速度快；钢种不限制； 形状大小受限制，4.1气体氮化在氮化前宜在一定温度下通入NH 2 NH-2N+3H 2 NH3分解出活性N在钢表面扩散氮化，图7.17为氮化环的磨损特性。从图可知顶环氮化的耐磨性优于镀铭环，对缸套的磨损与镀铭环的一样。图7.18为氮化层深度与硬度关系，氮化层表层硬度HV1000-1200，图7.19为氮化环的断面组织，由图可知氮化物粒子呈分散分布。含碳较高的钢氮化

14、物粒子较多，耐摩擦性较好。氮化环由于有优良的耐 磨性，其产量逐年增多。4.2盐浴氮化盐浴氮化适用的钢铁形状不受限制，气体氮化对奥氏体不锈钢困难的场合。盐浴氮化按3XCNO»XCN+XCO+C+2N反应式进行，式中 X是碱金属。盐浴氮化层组织由表面到内部为氧化膜，疏松层，化合物及扩散层。 盐浴前十分注意环的状态，要搞好喷砂酸洗去钝化膜处理。注意废水废气处理。4.3离子氮化图7.20环侧面离子氮化的断面区7,21 4才寥化刃原理KJ一图7.21离子氮化原理图7.20为离子氮化环断面，其外圆面为弧形氮化层。在抽真空气氛下，通入 N2和吒的混合气体，环为阴极，炉壁为阳极，升温通直流电，辉光放

15、电，氮离子向环外圆面轰击，参见图7.21 ,获得离子氮化层。PYDCYD图7.23 AIP 装备的基本结构(电弧离子镀)图7.22 PVD法的分类5. PVD （离子涂）溅射,直说放电法 高子镀)KCD法电弘离子爆L活性反应法等高子顷(PCVD):光C我PVD法参见图7.22所示，包括真空蒸发、溅射、离子涂。使用等离子电弧镀膜机，T在真空塔蜗内受到电弧电源作用，用电子枪轰击蒸发，形成蒸发的 T离子与气体入口处通入的氮原子以一定比例在真空被离化激活。在环的负偏压吸引下， 射向环表面形成致密镀层。来7*4电遂高子较深层及其特性 '卷盘类T邱 100-3300TiC 3000-350(ZiN

16、 -2000CrN-2G00TaN 网仰3叫.T#加酎孱性化代优一在T伐F优耐桩性可良良良:用 途切耐工具，金雇霍板、也用工艮、登属权垣高特聋工染,品市动件-琳驻叶片整艮工史切用工其.机.痣饰品一而动恺表7.4为真空电弧蒸镀涂层及其特性表。表中表明用途为切削工具、金属模板、装饰品等。TiN环涂层有优良的耐磨耐腐蚀性耐熔着磨损性，TiN涂层厚制作较困难。残留应力较大。约在10 m以下。（译TiN）镀层有优艮的抗熔着磨损性能。CrN涂层的耐熔着磨损性见图7.24 ,它比其它的要好，其涂层可以相当厚（译者注；CrN层厚达50umj）附癌毒魔榻世熊MgQStt>t51I4PVD懒化宓钿一 / W

17、/ZZ/I备化镇能|八者注：用于活塞环为 1.55ug图7.6表明PVD超舸t瓶诙毁机 基淮林色材材"如 萨充相漓渭油8此曲擦8 %* 阿724备神泰面理的时I薜麾辑性图7.24各种表面处理的耐熔着磨损性6. 化学转化膜。6.1磷化膜磷化膜的多孔结构具有吸附保油性，耐蚀性。起到防锈及易于初期磨合的作用。防止了金属与金属之间发生的直接摩擦。磷化膜主要用在活塞环的侧面的表面处理，通常厚度为几个作用于磷化的主要有磷酸锌系和磷酸猛系。以磷酸锌系磷化为例，磷化反应在环的表面的形成一层难溶于水的磷酸盐微孔状结晶保护膜，直到氢气泡停止溢出、磷化膜形成，磷化反应终了。6.2四氧化三铁膜氧化剂加入高浓

18、度的荷性钠水溶液中浸泡5-30分钟，处理温度130-150 C环的表面被氧化成四氧化三铁膜。它致密呈黑到黑褐色，能防锈，改善初期磨合，该处理溶液市场有售。7. 自润滑涂层 7.1固体润滑膜近年来由于内燃机高性能化，导致环的工作温度升高，运转初期环外圆面、 侧面和活塞的环槽磨损等。对策为对环侧面等进行固体润滑膜处理。采用浸渍法，膜厚 2-10 a m将固体润滑剂粉末分散 分布在环表面。固体润滑膜粘结剂分类和品种参见表7.5。有机粘结剂有常温硬化和加热硬化两种。固体润滑剂的分类用7S 一 ._一粘结荆分类和品种1有机粘结剂i常温硬化型丙蜻酸类树脂环氧树脂、聚氯己烯柄脂,硅闹树脂、匕烯编醛捌月旨、塑料树脂、! 聚宥烯酸脂捌脂等I加热哽化型!苯酚树脂，酢酸树原、聚酬