林愛楨

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

主題詞：活塞環(huán) 制造技術(shù) 外形 材料 表面處理

0 前言

活塞環(huán)根據(jù)工作時(shí)發(fā)揮的作用的不同可分為氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)可以密封燃燒室內(nèi)的可燃?xì)怏w并將活塞頂部大部分熱量傳至氣缸壁達(dá)到冷卻的目的[1]；油環(huán)的作用有很多，但主要的還是阻擋機(jī)油進(jìn)入燃燒室。活塞環(huán)在燃燒室內(nèi)隨著活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，受到高溫、高壓燃?xì)獾那治g并與缸套產(chǎn)生激烈的摩擦，據(jù)統(tǒng)計(jì)，三分之一的燃油消耗都是由摩擦[2]消耗的，因此摩擦磨損一直被認(rèn)為是影響內(nèi)燃機(jī)燃油效率的關(guān)鍵因素，其中，活塞環(huán)與缸套接觸產(chǎn)生的摩擦在內(nèi)燃機(jī)中摩擦占比超過(guò)50%，一直被認(rèn)為是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的摩擦部件之一[3]，且活塞環(huán)與缸套接觸時(shí)，嚴(yán)重摩擦磨損甚至?xí)?dǎo)致燃?xì)庑孤?，?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)定，工作環(huán)境極其惡劣[4-5]。良好的活塞環(huán)需要有較高的耐熱性、耐磨性和工藝性能，對(duì)于具有良好使用性能的活塞環(huán)研發(fā)一直是活塞環(huán)制造業(yè)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，加之要求現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)具有更高效率、更高載荷、更高速度和更高壽命的特點(diǎn)，因此，急切要求研究具有更高使用性能的活塞環(huán)。目前，活塞環(huán)制造技術(shù)研究的重點(diǎn)主要集中在改進(jìn)活塞環(huán)外形，優(yōu)選活塞環(huán)材料以及開發(fā)新的活塞環(huán)表面處理技術(shù)方面等。

1 活塞環(huán)外形

1.1 氣環(huán)外形

相對(duì)于油環(huán)來(lái)說(shuō)，氣環(huán)工作時(shí)受到的最高溫度可高達(dá)600 K，工作環(huán)境比較惡劣，以至其使用壽命較短。

氣環(huán)外形種類較多，如圖1[6-7]所示，其中，矩形斷面環(huán)的散熱性能、工藝性能以及經(jīng)濟(jì)性能均較佳。但其耐磨性、密封性較差，在工作狀態(tài)下，會(huì)把氣缸壁上的機(jī)油不斷送入氣缸中，導(dǎo)致機(jī)油在燃燒室內(nèi)因高溫燃燒生成積碳，不僅增加了機(jī)油的消耗量，還可能使環(huán)槽中的積碳造成卡環(huán)或折斷等現(xiàn)象。因此，高速、高負(fù)荷的強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)上一般不采用矩形斷面環(huán)，而較多的運(yùn)用于中速發(fā)動(dòng)機(jī)中。非矩形斷面的扭曲環(huán)在工作時(shí)通過(guò)擠壓變形極大的改善了泵油效應(yīng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。錐形環(huán)有良好的刮油作用，可用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。梯形環(huán)的抗膠結(jié)能力最好，但上、下兩面工作面需要精磨，且工藝比較復(fù)雜。桶面環(huán)是上世紀(jì)七十年代興起的一種新型結(jié)構(gòu)，它對(duì)環(huán)壁間的油膜有良好的維持效果，從而大大降低機(jī)油消耗[7]；目前，在桶面環(huán)的基礎(chǔ)上做改進(jìn)，采用不對(duì)稱桶形氣環(huán)，它可以在改善氣缸油膜形成的同時(shí)減小接合面上的壓力，避免機(jī)油從結(jié)合面的上端進(jìn)入燃燒室，保證密封性。

圖1 氣環(huán)斷面形狀圖[6-7]

氣環(huán)寬度決定了氣缸油膜的厚度，環(huán)的寬度與其產(chǎn)生的氣缸油膜厚度成正比，使用較寬的氣環(huán)，可以改善上止點(diǎn)附近氣缸的磨損，但會(huì)給整個(gè)活塞組件帶來(lái)較為不利的慣性效應(yīng)；而使用較窄的環(huán)可提高與環(huán)槽側(cè)壁的適應(yīng)性，但容易發(fā)生斷裂。因此，選擇活塞環(huán)的寬度需要考慮各方面需求，以滿足不同需求時(shí)的使用。

如今，仿形加工技術(shù)的應(yīng)用大大優(yōu)化了活塞環(huán)形狀的適應(yīng)性能。目前一種行之有效的方法是結(jié)構(gòu)溫度數(shù)值耦合法，這種方法通過(guò)數(shù)學(xué)模型描述活塞環(huán)所經(jīng)歷的溫度變化，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)活塞環(huán)的形狀。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得材料隨溫度的形變規(guī)律，再根據(jù)該規(guī)律設(shè)計(jì)常溫下的最佳溫度變形狀態(tài)，借此獲得最佳的活塞環(huán)接觸狀態(tài)。

1.2 油環(huán)外形

油環(huán)分為普通式油環(huán)和組合式油環(huán)兩種，普通式油環(huán)的單體油環(huán)受力情況、刮油性能以及使用壽命均較差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)機(jī)油進(jìn)入燃燒室等情況；帶波形板襯簧的組合式油環(huán)受力情況良好，主要應(yīng)用于某些小型的汽油機(jī)；帶有螺旋形式襯簧的組合油環(huán)受力情況最佳，油環(huán)隨活塞來(lái)回做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，刮油能力強(qiáng)，能有效帶走缸壁上的機(jī)油，通常將螺旋襯簧的組合油環(huán)用于車用柴油機(jī)，也有少部分用于車用汽油機(jī)，但油環(huán)外表面與環(huán)背面均需要鍍鉻以減少磨損。對(duì)于組合式而言，鋼片組合式油環(huán)克服了單體油環(huán)機(jī)油上竄的缺點(diǎn)，且缸壁發(fā)生變形之后對(duì)其影響不大，刮油性能也較好，普遍用于高速汽油機(jī)，但其磨損較嚴(yán)重，高速柴油機(jī)上一般不采用。

如今，柔性油環(huán)普遍使用在中速發(fā)動(dòng)機(jī)上，其彈簧特性使得油環(huán)在磨損后受力情況不會(huì)發(fā)生太大的改變，氣缸的油膜分布比較均勻，使用時(shí)效果最好。油環(huán)臺(tái)肩采用仿形磨削加工后，油環(huán)臺(tái)肩寬度的公差減小一半，側(cè)壓力的變動(dòng)范圍明顯減小，機(jī)油消耗也大大減少。

2 活塞環(huán)材料技術(shù)

活塞環(huán)的材料主要是灰鑄鐵，但隨著對(duì)活塞環(huán)機(jī)械性能的要求越來(lái)越高，逐漸出現(xiàn)了合金鑄鐵、鋼材、復(fù)合材料和粉末冶金材料等新型材料，這些材料較適用于制造高性能活塞環(huán)的材料。

2.1 鑄鐵活塞環(huán)

鑄鐵是制作活塞環(huán)的傳統(tǒng)材料之一，由于其具有耐磨性好、工藝性好和低成本的特點(diǎn)，因此早期在活塞環(huán)的制造上獲得了廣泛應(yīng)用。鑄鐵活塞環(huán)因材料本身含有石墨，帶有自潤(rùn)滑性，可以改善表面磨損度，但其強(qiáng)度不高。為了滿足性能要求，可在鑄鐵材料中加入一些諸如Cu、Cr、Mn、Mo等合金元素，并相應(yīng)地進(jìn)行一定的熱處理[7]。目前，已經(jīng)開發(fā)出了鉻鉬球墨鑄鐵、鉬銅球墨鑄鐵、高硅鐵素體球墨鑄鐵等合金鑄鐵材料，隨著高強(qiáng)度發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，適用于各種特殊要求的活塞環(huán)合金鑄鐵材料有待于開發(fā)。

2.2 鋼活塞環(huán)

隨著對(duì)機(jī)械動(dòng)力性需求的不斷增大，內(nèi)燃機(jī)部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求與日俱增。由于鋼活塞環(huán)的耐熱性能、耐磨性能以及力學(xué)性能均較好，并且還符合節(jié)能減排、環(huán)境友好型材料的要求，由此，鋼逐漸應(yīng)用于制作活塞環(huán)的材料，目前制造活塞環(huán)的鋼材主要有碳素鋼、低合金鋼以及不銹鋼，主要用于制造氣環(huán)和鋼帶組合油環(huán)[8-9]。

2.3 復(fù)合材料和粉末冶金材料

對(duì)于活塞環(huán)復(fù)雜多變的極端工況要求，目前的科技水平很難開發(fā)單一一種材料來(lái)符合上述要求。因此，對(duì)特殊部位采用復(fù)合材料顯得尤為重要。當(dāng)潤(rùn)滑情況不好，活塞環(huán)磨損比較嚴(yán)重時(shí)，在其外表面上開一工藝槽，向內(nèi)填充一種具有多孔性的鐵淦氧材料[9-10]，可以吸附適量的潤(rùn)滑油，避免缺油時(shí)發(fā)生的粘著磨損,并且有效地減少磨損量。

同樣地，粉末冶金材料也是為了改善活塞環(huán)表面的磨損情況而被新研發(fā)的一種活塞環(huán)材料。它通過(guò)加入各種不同的金屬元素以及石墨等非金屬材料來(lái)提升其表面的多孔吸附特性，從而改善活塞環(huán)的磨損情況，但粉末冶金材料的多孔性也會(huì)帶來(lái)較大的不利影響，它會(huì)降低活塞環(huán)的導(dǎo)熱性，從而不利于活塞環(huán)散熱,由于活塞環(huán)本身所處環(huán)境溫度較高，而導(dǎo)熱能力降低后，活塞環(huán)長(zhǎng)期工作在較高的熱負(fù)荷狀態(tài)下，降低了活塞環(huán)的強(qiáng)度。因此,該類型材料的使用需要在可靠潤(rùn)滑及材料孔隙間作出平衡選擇。

3 活塞環(huán)表面處理技術(shù)

3.1 表面鍍鉻

表面鍍鉻是最初使用的一種對(duì)活塞環(huán)表面進(jìn)行強(qiáng)化以滿足使用性能要求的活塞環(huán)表面處理技術(shù)，它通過(guò)在活塞環(huán)外圓表面覆鉻層來(lái)降低表面摩擦系數(shù)，改善活塞環(huán)外表面的磨損情況，延長(zhǎng)其有效使用時(shí)間。但由于目前工藝水平的限制，鍍鉻的成功率相對(duì)較低，廢品率的居高不下會(huì)造成極大浪費(fèi)。此外，還會(huì)產(chǎn)生重金屬?gòu)U液，污染環(huán)境，且鉻鍍層與活塞環(huán)基體的貼合度不夠好，容易脫落[5][7]，因此，在發(fā)達(dá)國(guó)家該方式已被禁止。而我國(guó)在活塞環(huán)表面處理技術(shù)方面還不夠成熟，一些廠家仍然在使用。不過(guò)，目前政府對(duì)環(huán)境友好型制造業(yè)大力提倡和扶持，在工藝得到巨大提升之前，該項(xiàng)工藝發(fā)展前景不太明朗。

3.2 表面氮化處理

活塞環(huán)的表面氮化方式主要有3種，包括離子氮化法，鹽浴法及氣體表面處理法[11-13]。離子表面氮化加工生產(chǎn)效率較低，且成本不易控制，但離子表面氮化有較大的優(yōu)點(diǎn)，它可以選擇性地氮化指定的某部分活塞環(huán)外表面，避免對(duì)不需要強(qiáng)化的表面進(jìn)行氮化，更有利于活塞環(huán)的減磨。表面氮化處理技術(shù)安全、可靠、成本低、無(wú)環(huán)境污染，淘汰了表面鍍鉻工藝以后，Yufu Xu等提出選擇表面氮化處理技術(shù)來(lái)強(qiáng)化活塞環(huán)的外表面[14]。但是，該項(xiàng)工藝最大的缺點(diǎn)是會(huì)降低金屬表面的硬度，且滲氮層的厚度及均勻性難以得到精確的控制，不能很好的滿足某些頻繁工況的要求，難以大量推廣。

3.3 表面噴鉬

劉志英等提出對(duì)活塞環(huán)表面噴鉬有火焰噴涂和等離子噴涂?jī)煞N方式[1]，鉬涂層熔點(diǎn)低，硬度高，具有良好的耐磨損性，并且與基體環(huán)的結(jié)合良好。但是，噴鉬活塞環(huán)長(zhǎng)期工作在高溫狀態(tài)下，鉬涂層因氧化導(dǎo)致維持時(shí)間不長(zhǎng)容易脫落。潤(rùn)滑狀態(tài)不好時(shí)噴鉬活塞環(huán)的摩擦系數(shù)比較大，相應(yīng)地，磨損情況較為嚴(yán)重。研究人員也在不斷研究改進(jìn)鉬涂層的可用性，并取得了一定的成果。國(guó)外學(xué)者M(jìn).Tas等研究[14]發(fā)現(xiàn),在Mo粉中加入Cu粉和Al-Si合金粉末，可以得到了Cu-Al2和Cu9Al4兩種減磨材料，使涂層具有較為良好的耐磨性,并且，該種減磨材料的應(yīng)用還能降低生產(chǎn)成本，因此，深入研究鉬粉合金元素的復(fù)合性能是開發(fā)出具有良好性能活塞環(huán)的重要研究方向。

3.4 等離子噴涂陶瓷層

用于強(qiáng)化活塞環(huán)表面的陶瓷涂層的各項(xiàng)性能均較好，對(duì)其開發(fā)和研制無(wú)異于給活塞環(huán)的制造帶來(lái)了非常大的發(fā)展前景；但是，由于涂層的制備制造難度非常大，使其一直沒(méi)有得到很好地應(yīng)用。隨著工業(yè)的發(fā)展，等離子噴涂技術(shù)逐漸成熟，結(jié)合陶瓷涂層和等離子噴涂?jī)身?xiàng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的等離子噴涂陶瓷涂層應(yīng)運(yùn)而生。由此，解決了陶瓷材料高應(yīng)力剝落和活塞環(huán)變形等一系列的問(wèn)題，使陶瓷材料可以在活塞環(huán)的制造中獲得廣泛應(yīng)用。AE Goetze的K.Holmberg用一種特殊的涂層制備方法，研制出了一種CKS-36涂層[15]，是在鉻涂層上滲入陶瓷微粒的一種復(fù)合陶瓷涂層，CKS-36涂層結(jié)構(gòu)如圖2所示。目前，活塞環(huán)表面噴涂陶瓷層受到技術(shù)限制，還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，開發(fā)良好性能的陶瓷涂層仍然是活塞環(huán)表面處理技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)極其重要的方向。

圖2 CKS-36層結(jié)構(gòu)[15]

3.5 氣相沉積技術(shù)

W.Grabon在等離子噴涂法的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了氣相沉淀技術(shù)，其基本原理是采用了金屬基體真空介質(zhì)中的均勻沉積技術(shù)[16]。蒸發(fā)涂層材料主要有電弧和磁控濺射兩種工藝。電弧的工作過(guò)程如下：低壓電弧產(chǎn)生電場(chǎng)，離子在該電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力的作用，加速運(yùn)動(dòng)，沖到活塞環(huán)基體上，完成沉積，但涂層中可能存在低壓電弧導(dǎo)致小顆粒的存在,使涂層的表面整潔度和綜合機(jī)械性能均受到影響。磁控濺射的工作過(guò)程如下：磁場(chǎng)濺射產(chǎn)生等離子體，撞擊活塞環(huán)基體后導(dǎo)出原子，由此產(chǎn)生的原子所受力度不夠，其動(dòng)能相對(duì)較低，因此，得到涂層的難度更大，但磁控濺射得到的涂層表面更加光潔、順滑。

氣相沉積技術(shù)依靠其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前開始在業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用，但因?yàn)榧夹g(shù)不夠成熟，制備方法上受到技術(shù)的限制，氣相沉積技術(shù)目前只能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)活塞環(huán)基體沉積薄膜,無(wú)法滿足特殊部分表面的性能要求，并且這種整體薄膜還會(huì)使活塞環(huán)在工作過(guò)程中發(fā)生咬缸現(xiàn)象。利用氣相沉積技術(shù)在活塞環(huán)表面鍍膜，可以獲得更多受生產(chǎn)限制而無(wú)法開發(fā)的優(yōu)良鍍層活塞環(huán)，但是，還需要對(duì)此做進(jìn)一步研究改進(jìn)，克服只能整體鍍膜的限制，降低制備成本等，提高其適用性后，才能將氣相沉積技術(shù)廣泛使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)的發(fā)展，許多活塞環(huán)制造技術(shù)得到應(yīng)用，有力地改善了活塞環(huán)的耐磨性、耐熱性以及抗疲勞性等，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求內(nèi)燃機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)向更強(qiáng)化方向發(fā)展，相應(yīng)地，高強(qiáng)度的活塞環(huán)也有較大的適用前景?；钊h(huán)制造技術(shù)確實(shí)存在許多弊端，且制造活塞環(huán)要綜合考慮整體性能、工藝成本、節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境以及相關(guān)匹配等方面的問(wèn)題，目前，對(duì)于活塞環(huán)制造技術(shù)的研究，需要加大創(chuàng)新研究力度，在表面氮化處理、鉬層加粉末合金、氣相沉積以及涂層制備技術(shù)，特別是陶瓷材料涂層的應(yīng)用方面加大產(chǎn)業(yè)化研究力度；在工藝成本、技術(shù)適用性和環(huán)境友好型制造業(yè)的要求等方面，進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)得到深度開發(fā)，同時(shí)也要能得到廣泛的產(chǎn)業(yè)化實(shí)際應(yīng)用。