李 輝 孫日超 魏 琪 栗卓新

北京工業(yè)大學(xué)，北京，100124

0 引言

內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排問(wèn)題已經(jīng)成為全球焦點(diǎn)，美國(guó)最近提出要降低內(nèi)燃機(jī)40%燃油消耗的指標(biāo)［1］。降低燃油消耗就意味著要進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)摩擦損耗并有效提高燃燒效率。對(duì)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，活塞環(huán)－缸套摩擦副產(chǎn)生的磨損在整機(jī)摩損中占最大比例(40%)［2］，且該摩擦副中活塞環(huán)的磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缸套的磨損，因而研究活塞環(huán)的摩擦磨損及其表面防護(hù)問(wèn)題有著十分重要的意義。

由于活塞環(huán)工作條件苛刻，單一材料難以勝任，故表面涂層及其他表面強(qiáng)化技術(shù)被逐漸應(yīng)用于活塞環(huán)。最常見(jiàn)的涂層是電鍍硬鉻涂層，它技術(shù)成熟，綜合性能好，但電鍍過(guò)程嚴(yán)重污染環(huán)境，尋求替代鍍硬鉻的技術(shù)勢(shì)在必行。熱噴涂、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)等涂層技術(shù)也正逐步得到應(yīng)用。其中，熱噴涂技術(shù)工藝靈活、涂層均勻，與涂層基體結(jié)合好，生產(chǎn)效率高，在活塞環(huán)上顯示了良好的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究單位在這一方面開(kāi)展了大量工作，并取得了一定的進(jìn)展，但在活塞環(huán)表面高性能耐磨涂層開(kāi)發(fā)的一些基礎(chǔ)研究上還不夠深入，對(duì)活塞環(huán)與缸套之間摩擦磨損機(jī)理的一些問(wèn)題還有待深刻揭示。

1 活塞環(huán)工況及其表面工程技術(shù)

1.1 復(fù)雜的工況條件及其性能要求

活塞環(huán)的工況條件極其復(fù)雜:一方面，它要長(zhǎng)時(shí)間在較高溫度下工作;另一方面，壓縮過(guò)程中，活塞環(huán)要能對(duì)燃燒室起有效密封作用，同時(shí)還承受巨大的氣體壓力及來(lái)自曲柄的側(cè)推力。活塞環(huán)與缸套在摩擦磨損過(guò)程中形成的磨屑及不完全燃燒形成的積碳，會(huì)產(chǎn)生異質(zhì)顆粒，使摩擦副形成三體摩擦，燃油燃燒產(chǎn)生的SO2、SO3等也會(huì)帶來(lái)腐蝕磨損的問(wèn)題。此外，由于活塞環(huán)在上下止點(diǎn)附近處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，故涂層將與缸體材料發(fā)生劇烈的磨損［3］。上述苛刻的工作環(huán)境決定了活塞環(huán)及其涂層材料的特殊性，即要求活塞環(huán)基體及涂層材料具有良好的耐磨性，并且強(qiáng)度高、韌性好，能在200～300℃下長(zhǎng)期承受各種載荷而不發(fā)生疲勞斷裂。

1.2 活塞環(huán)涂層技術(shù)及相關(guān)材料

活塞環(huán)基體材料經(jīng)歷了由普通灰鑄鐵、高合金鑄鐵、球墨鑄鐵到鋼的變化歷程。鑄鐵耐磨性好但韌性較差，球墨鑄鐵韌性好但耐磨性差，鋼能滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)強(qiáng)度高、韌性好的要求。目前，汽油機(jī)中已大量采用鋼制環(huán)，柴油機(jī)活塞環(huán)也將逐漸被鋼制環(huán)所替代。但是，鋼制環(huán)耐磨性較差，通常需要采用氮化、CVD、PVD、大氣等離子噴涂(APS)、高速火焰噴涂(HVOF)等表面改性或表面涂層技術(shù)來(lái)改善。除此之外，輝門(mén)公司還將復(fù)合鍍技術(shù)(鉻基陶瓷復(fù)合鍍CKS、鉻－金剛石復(fù)合鍍GDC)引入活塞環(huán)的生產(chǎn)中，所制備的涂層具有優(yōu)異的耐刮擦性能，特別適用于高輸出比的柴油機(jī)。

氮化活塞環(huán)的耐磨性無(wú)法滿足某些高耐磨場(chǎng)合的需求。采用CVD、PVD方法在材料表面沉積一層幾微米厚的薄膜能夠起到減磨作用，常用的薄膜材料有類(lèi)金剛石 DLC及 TiAlN、CrN、TiN、BN、SiN等氮化物［4］。但氣相沉積法制備的薄膜普遍偏薄，在承載高載荷時(shí)很難滿足使用要求，因此，工業(yè)界研究重點(diǎn)在熱噴涂涂層上。

APS技術(shù)在制備耐磨、耐高溫涂層方面具有一定優(yōu)勢(shì)，尤其適合噴涂熔點(diǎn)較高的金屬、非金屬材料。在活塞環(huán)熱噴涂涂層的開(kāi)發(fā)研究上，Mo及Mo基復(fù)合涂層是APS涂層研究的焦點(diǎn)，研究者比較關(guān)注的是涂層摩擦學(xué)特性與噴涂粉末(種類(lèi)、粒度、形貌)、噴涂工藝之間的關(guān)系。純Mo涂層［5-7］的研究結(jié)果表明，其耐黏著磨損能力要優(yōu)于電鍍鉻涂層，但是耐磨料磨損性能要比鍍鉻層差。

在純 Mo粉末中加入黃銅、Al－Si、NiCrBSi等耐磨相后［8-9］，制備的Mo基復(fù)合涂層不僅保留了純Mo涂層耐刮擦性能好的優(yōu)點(diǎn)，還可有效地提高耐磨性。此外，Cr3C2、WC、Cr2O3、Al2O3等純陶瓷耐磨涂層也是研究的熱點(diǎn)之一，但陶瓷材料的本征脆性在一定程度上限制了它們的應(yīng)用，如Cr2O3涂層的耐磨性遠(yuǎn)高于鍍鉻涂層［10］，但涂層一旦出現(xiàn)裂紋，磨損率會(huì)快速增加［6］。美國(guó)專利US，6887585 B2［11］和 US，RE39070E［12］中的活塞環(huán)耐磨涂層均包含Mo及上述材料，涂層具有優(yōu)異的耐磨、耐刮擦性能。Mo的作用體現(xiàn)在兩方面:一方面，Mo在熱噴涂過(guò)程或摩擦磨損過(guò)程中會(huì)發(fā)生氧化，形成MoO2薄膜，在摩擦副表面能起到自潤(rùn)滑作用［9］;另一方面，Mo涂層具有優(yōu)異的耐刮擦性能。

除APS技術(shù)外，HVOF技術(shù)也在活塞環(huán)涂層上得到較為廣泛的應(yīng)用。與 APS技術(shù)相比，HVOF噴涂粒子溫度低、飛行速度快，因此得到的涂層的結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率更低，在耐磨場(chǎng)合更有優(yōu)勢(shì)。在HVOF噴涂用粉末方面，對(duì)WC－Co、Cr3C2－NiCr、氧化物陶瓷和復(fù)合粉末的研究居多。較之于電鍍鉻涂層，HVOF制備的WC－Co和Cr3C2－NiCr等涂層具有更小的摩擦因數(shù)和更好的耐磨性能［7，13-17］。

為了提高涂層的摩擦學(xué)性能，減小摩擦因數(shù)，自潤(rùn)滑復(fù)合涂層也成為關(guān)注的熱點(diǎn)，Landa等［18］對(duì)活塞環(huán)用TiOx自潤(rùn)滑涂層進(jìn)行了多年研究，發(fā)現(xiàn)在涂層制備過(guò)程中，TiOx可能會(huì)形成 Magnéli相，該相存在晶體學(xué)切變面，在800℃下具有良好的潤(rùn)滑性，有望成為替代活塞環(huán)現(xiàn)有涂層的選擇之一。此外，在噴涂材料中添加BaF2/CaF2、MoS2、石墨、六角形氮化硼、聚四氟乙烯等潤(rùn)滑相也能有效地減小摩擦副之間的作用力，減小摩擦因數(shù)，專利 US，6887585 B2［11］、US0069724Al［19］所介紹的涂層中，均加入了少量的石墨、六角形氮化硼、聚四氟乙烯、Sn、石墨等自潤(rùn)滑相。但是，大多數(shù)潤(rùn)滑相的耐磨性差，在涂層中含量不易過(guò)多。

此外，粉末制備方法及粉末粒度也是熱噴涂涂層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素，如Rastegar等［7］發(fā)現(xiàn)，采用包覆粉制備的Cr3C2－NiCr涂層耐磨性好于燒結(jié)粉制備的涂層。Liu等［16］發(fā)現(xiàn)，在同種工藝(HVOF或APS)條件下，粉末大小雖然不是決定耐磨性高低的主要因素，但是對(duì)耐磨性仍存在一定的影響。

綜上所述，熱噴涂金屬陶瓷復(fù)合涂層在活塞環(huán)表面有較好的發(fā)展前景，目前在歐美國(guó)家活塞環(huán)市場(chǎng)中，已有采用APS、HVOF技術(shù)制備的金屬陶瓷涂層，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)由于成本原因，絕大多數(shù)商業(yè)化的產(chǎn)品仍是采用電鍍硬鉻涂層，APS、HVOF制備的活塞環(huán)涂層僅處于實(shí)驗(yàn)室階段。

2 活塞環(huán)失效形式及摩擦磨損研究現(xiàn)狀

2.1 活塞環(huán)常見(jiàn)的失效形式

活塞環(huán)使用中常見(jiàn)的失效形式主要有磨合期磨損、疲勞斷裂、膠合(嚴(yán)重擦傷、拉缸)、異常磨損等。

在磨合期階段，材料處于二體磨損狀態(tài)，摩擦副表面并沒(méi)有完全被潤(rùn)滑劑分開(kāi)，兩表面微凸體相互接觸，隨著磨合的進(jìn)行，接觸的微凸體逐漸被磨平，磨削量逐漸降低，摩擦因數(shù)減?。?0-21］。Hamilton等［22］認(rèn)為磨合期的磨損特點(diǎn)與油膜厚度的變化情況有關(guān)，并證實(shí)隨磨合期進(jìn)行，潤(rùn)滑油膜逐漸建立，磨削量開(kāi)始減小。Ma等［21］在研究磨合期的磨損量時(shí)發(fā)現(xiàn)，前一小時(shí)的磨損量是隨后兩小時(shí)的12倍。因此，磨合期的磨損是不可忽視的。

抗擦傷性能往往與摩擦副雙方的材料相關(guān)。從研究結(jié)果來(lái)看，為提高涂層的抗擦傷性，一般通過(guò)添加 Mo 元素來(lái)提高耐擦傷性能［3，5，7］，不同粉末材料及制備方法對(duì)涂層的耐擦傷性影響很大。Herbst－ Dederichs［23］研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合電鍍層、APS涂層、HVOF涂層、PVD涂層的耐擦傷性能逐漸增強(qiáng)。Landa等［18］發(fā)現(xiàn)TiOx涂層的抗擦傷性甚至要優(yōu)于Mo基復(fù)合涂層。

除擦傷外，活塞環(huán)磨損失效的形式還包括異常磨損、疲勞斷裂等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，活塞環(huán)總磨損量的90%往往是幾小時(shí)的異常磨損造成的［24］。目前，針對(duì)異常磨損理論的研究還比較少。Chun［25］對(duì)活塞環(huán)缸套磨損量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行1583h后磨損情況發(fā)生突變，這是由于活塞環(huán)磨損量不斷增大，使得活塞環(huán)閉口間隙變大、油耗量增多，該現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中已得到證實(shí)。閉口間隙增大會(huì)引起竄氣及油耗增大，使磨損情況發(fā)生突變，這可能是異常磨損產(chǎn)生的原因。疲勞磨損(裂紋擴(kuò)展)往往與活塞環(huán)及涂層韌性相關(guān)。在對(duì)涂層進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試時(shí)，Rastegar等［7］發(fā)現(xiàn)韌性好的涂層抗裂紋擴(kuò)展(抗疲勞磨損)的能力明顯提高。

氧化也是活塞環(huán)磨擦磨損中值得關(guān)注的問(wèn)題之一。有研究結(jié)果指出，鑄鐵缸套與Mo環(huán)對(duì)磨后，鑄鐵表面發(fā)生明顯的氧化層增厚現(xiàn)象，其氧化產(chǎn)物磨損脫落后有可能充當(dāng)磨料，加劇涂層的磨料磨損［26］。

2.2 摩擦磨損研究現(xiàn)狀

國(guó)外學(xué)者在活塞環(huán)涂層材料、磨損機(jī)理方面開(kāi)展了很多系統(tǒng)研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者在這一方面的研究起步比較晚。張家璽等［24］指出，活塞環(huán)摩擦磨損問(wèn)題極其復(fù)雜，研究的關(guān)鍵是掌握各種磨損機(jī)理發(fā)生的條件、特征和變化規(guī)律。這方面的研究主要針對(duì)滑動(dòng)速度、載荷、工作溫度等工況參數(shù)，以及摩擦副材料、表面形態(tài)、潤(rùn)滑狀況等因素展開(kāi)。

大量工作集中關(guān)注了摩擦磨損試驗(yàn)中的滑動(dòng)速度、加載力、溫度等工藝參數(shù)的影響，但不同研究所得出的結(jié)論不盡相同(這可能與實(shí)驗(yàn)條件的不同有關(guān))。如Hwang等［9］發(fā)現(xiàn)，摩擦副雙方的磨損率隨載荷增大而增大，而摩擦因數(shù)卻在減小。Murat等［27］發(fā)現(xiàn)，摩擦副雙方磨損率與摩擦因數(shù)都隨載荷增大而增大。宋炳珅等［28］認(rèn)為，載荷和速度對(duì)摩擦力的影響較小，溫度對(duì)摩擦磨損有顯著影響，這點(diǎn)與白敏麗等［29］的結(jié)論相同。

涂層及其表面形貌能影響兩表面微凸體的接觸，進(jìn)而影響涂層耐磨性。Liu等［16］在研究涂層的耐磨性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，硬度、孔隙率與耐磨性高低有直接關(guān)聯(lián)。Johansson等［30］發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度對(duì)摩擦磨損的影響比材料更大，這一結(jié)論也得到了Jang等［31］的支持，后者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)表面粗糙度對(duì)軟表面耐磨性的影響比硬表面大。Sui等［32］詳細(xì)分析了表面粗糙度對(duì)摩擦磨損的影響，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度在減小到一定水平時(shí)可以明顯減小磨損量，且表面形貌的方向參數(shù)對(duì)磨損量也有影響。因此，Johansson等［30］認(rèn)為有必要全面系統(tǒng)開(kāi)展三維表面形貌對(duì)摩擦磨損性能影響的研究工作。

長(zhǎng)久以來(lái)，活塞環(huán)的潤(rùn)滑狀態(tài)及其對(duì)摩擦磨損性能的影響都是研究熱點(diǎn)。該研究始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，學(xué)者普遍認(rèn)識(shí)到活塞環(huán)的潤(rùn)滑狀態(tài)與摩擦磨損直接相關(guān)，活塞環(huán)的摩擦磨損主要發(fā)生在油膜厚度較小的邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑條件下。在不同潤(rùn)滑條件下，磨損機(jī)制往往要發(fā)生轉(zhuǎn)變。如 Karamisb等［6］發(fā)現(xiàn)，Al－Mo－Ni涂層在油摩擦條件下只發(fā)生輕微的磨料磨損，在干摩擦條件下出現(xiàn)較嚴(yán)重的黏著磨損。Uyulgan等［5］發(fā)現(xiàn)，在酸性環(huán)境與大氣環(huán)境下，涂層的磨損機(jī)制發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。

綜上所述，盡管對(duì)活塞環(huán)摩擦磨損開(kāi)展了大量工作，但目前研究對(duì)活塞環(huán)磨損機(jī)理的分析還不能量化，在磨合期理論和異常磨損的研究上不夠系統(tǒng)，在分析各種因素對(duì)活塞環(huán)摩擦磨損的影響上不夠全面和深入，因此，難以總結(jié)出活塞環(huán)摩擦磨損機(jī)理及機(jī)理相互轉(zhuǎn)變的原因。

3 活塞環(huán)摩擦磨損裝置

在活塞環(huán)摩擦磨損研究中，摩擦磨損裝置的選用和開(kāi)發(fā)具有舉足輕重的作用。通常來(lái)說(shuō)，活塞環(huán)涂層的性能需要在專門(mén)的臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，但由于實(shí)驗(yàn)成本昂貴，只有少量商業(yè)化活塞環(huán)廠商才采用這一方案。實(shí)驗(yàn)室的研究大多采用成熟的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)或自行研制的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

從運(yùn)動(dòng)形式上看，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)有旋轉(zhuǎn)、往復(fù)、往復(fù)旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)形式。Karamisb 等［6］、Hwang等［9］選用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損模擬測(cè)試。由于實(shí)際活塞環(huán)在缸套表面做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，采用線性往復(fù)式比旋轉(zhuǎn)式試驗(yàn)機(jī)更能準(zhǔn)確反映活塞環(huán)缸套摩擦副摩擦磨損情況。文獻(xiàn)［5，7，27，30］采用線性往復(fù)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

線性往復(fù)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D5707，DIN51834 －1、DIN51834－2、DIN51834－3等系列。另外，美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM已經(jīng)公布了適用于活塞環(huán)缸套摩擦磨損的標(biāo)準(zhǔn) G181－11［33］。該標(biāo)準(zhǔn)主要研究活塞環(huán)上止點(diǎn)處的摩擦磨損性能，并詳細(xì)指出實(shí)驗(yàn)步驟、方法，認(rèn)為一般應(yīng)選擇活塞環(huán)－缸套接觸寬度的5～10倍為試驗(yàn)沖程。另外，標(biāo)準(zhǔn)還詳細(xì)闡述了如何進(jìn)行磨合期實(shí)驗(yàn)及潤(rùn)滑油選擇等問(wèn)題。

在線性往復(fù)試驗(yàn)機(jī)中，SRV(DIN51834)高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是最常用的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)中需要準(zhǔn)確控制載荷，潤(rùn)滑油的種類(lèi)、黏度、添加量、溫度，以及試驗(yàn)機(jī)的沖程大小、頻率、滑動(dòng)速度等變量，另外需要監(jiān)控摩擦力、油溫、載荷甚至速度的變化。

很多研究者采用自行研制的摩擦磨損裝置進(jìn)行試驗(yàn)。由于實(shí)際活塞環(huán)與缸套是環(huán)－曲面接觸，采用環(huán)狀活塞環(huán)與缸套材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的越來(lái)越多。任旻等［34］設(shè)計(jì)了一種接近臺(tái)架試驗(yàn)的裝置。施洪生等［35］發(fā)明了一種可快速加熱潤(rùn)滑油、監(jiān)控油溫油膜厚度、判斷活塞環(huán)缸套潤(rùn)滑情況的裝置。合肥工業(yè)大學(xué)自主研制了往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)缸套－活塞環(huán)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)［36］。

4 結(jié)論

①為降低活塞環(huán)磨損，對(duì)活塞環(huán)表面處理已成為共識(shí)，替代電鍍鉻涂層的涂層中，APS、HVOF涂層具有較好的應(yīng)用前景。②熱噴涂材料研究的主流對(duì)象是復(fù)合粉末，其中，Mo元素及其混合涂層是研究重點(diǎn)。HVOF制備的金屬陶瓷涂層有望成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。③活塞環(huán)摩擦磨損研究進(jìn)展緩慢，不同磨損形式的相互作用關(guān)系復(fù)雜，磨合期磨損、異常磨損分析起來(lái)困難。另外，很少的研究能綜合考慮實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響，不同學(xué)者得出的磨損規(guī)律有時(shí)相互沖突，系統(tǒng)、全面、深入地開(kāi)展活塞環(huán)磨損機(jī)理研究應(yīng)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。④活塞環(huán)摩擦磨損測(cè)試趨向采用線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置，且模擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化加強(qiáng)，自行研發(fā)裝置增多。

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