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铬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%以上的经镀硬铬的表面处理。火焰喷涂活塞环始于1960年代，当内燃机高功率化，活塞环镀硬铬开始不适应，热负荷高的内燃机从1970年代开始用喷镀环。钼、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镀硬铬在活塞环的表面处理中，镀硬铬为历史最长久，镀层厚度5-300m比装饰铬

2、0.1-5.0m厚得多，硬铬镀层特点为：Hv800-1000耐磨。摩擦系数低。熔点1890耐熔着磨损性好。耐蚀性好，耐腐蚀磨损性强。图7.1为铸铁镀铬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比较，从图7.1看出镀硬铬环有优良的图7.1镀硬铬环的影响 图7.2环的镀铬处理 耐磨性和对缸套好的减磨性。图7.2为镀铬处理，环在镀槽中的放置和处理方法。图7.3 为镀铬环断面的金相组织。镀铬废水处理应控制有害6价铬的含量。图7.3镀铬环断面的金相组织2.2镍基复合分散镀表7.1分散镀的基质与分散微粒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

3、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。镍基分散镀的细颗粒，Si3N4、Sic 、TiC 、TiC 、Cr3C2相比较可看出Si3N4有优良的抗熔着磨损性能，TiN、 TiC 、Si3N4有良好的耐磨性能，它们都比镀铬层优越。 2表7.2各种分散微粒的物理性能图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；Si3N4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铬层好得多，SiC、 TiC本身耐磨。图7.4复合分散镀的分散材料变化对滑动性能的影响。图7.5热处理温度与复合分散

4、镀硬度图7.6各种表面处理耐熔着磨损性能的比较、图7.7复合分散镀断面的组织含磷7%以上的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，它比镀铬、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7m，从上往下数的第三层即氮化层厚70m，从上往下数的第四层约为环的基材）。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

5、耐磨性能优越图7.8各种表面处理环的磨损性能2.3镀锡在镀铬层复合一层软质，展延性优良的镀锡层，在运转初期缩短磨合期，图7.9表明镀铬+Sm环润滑油耗量在运转初期比单镀铬的低。图7.9镀铬环与镀铬+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。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

6、喷涂层特性发生变化。喷钼特点：硬度HV700以上。摩擦系数低熔点高达2630耐腐蚀性好导热性好松孔存油性能好图7.12铸铁环镀铬喷钼非表面处理耐磨性比较 图7.13离子涂原理喷钼与镀铬比较，钼的熔点高达2630、储油性好，耐腐蚀性强，尤为抗拉缸性好，耐磨性能比镀铬的差参见图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6000°C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

7、离子镀的温度场。图7.14火焰式离子镀的温度分布 图7.15离子镀环的断面组织在喷涂材料中，使用多种金属钼的混合材料比单独的纯钼要好，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7.16。基材铬钒铝含量高的氮化后硬度高，选定基材相当重要。含铬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7.16合金元素氮化最高硬度的影响 图7.17氮化环的磨损特性 氮化处理的种类及特征参见表7.34.1气体氮化在氮化前宜在一定温度下通入NH3 2 NH3-2N

8、+3H2 NH3分解出活性N在钢表面扩散氮化，图7.17 7 图7.19氮化环的断面组织 图7.19氮化环的断面组织为氮化环的磨损特性。从图可知顶环氮化的耐磨性优于镀铬环，对缸套的磨损与镀铬环的一样。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3XCNOXCN+X2CO3+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

9、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 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H2的混合气体，环为阴极，炉壁为阳极，升温通直流电，辉光放电，氮离子向环外圆面轰击，参见图7.21，获得离子氮化层。5. PVD（离子涂）图7.22 PVD法的分类 图7.23 AIP装备的基本结构（电弧离子镀） 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，Ti在真空坩埚内受到电弧电源作用，用电子枪轰击蒸发，形成蒸发的

10、Ti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。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10m以下。（译者注：用于活塞环为1.55um）图7.6表明PVD（TiN）镀层有优良的抗熔着磨损性能。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

11、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m。用于磷化的主要有磷酸锌系和磷酸锰系。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度的荷性钠水溶液中浸泡5-30分钟，处理温度130-150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。9 （译者注；CrN层厚达50um）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2-10m。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。固体润滑剂的分类和品种参见表7.6。MOS2 、石墨、特氟隆（PTFE）等固体润滑剂不同的