活塞環(huán)表面處理

1、活塞環(huán)表面處理1.環(huán)表面處理的變遷鍍硬鉻環(huán)已使用半個多世紀，它與非表面處理比較，其耐磨性、耐熔著磨損性有了飛躍的改善?，F(xiàn)在活塞環(huán)生產(chǎn)中有60%以上的經(jīng)鍍硬鉻的表面處理?；鹧鎳娡炕钊h(huán)始于1960年代，當內(nèi)燃機高功率化，活塞環(huán)鍍硬鉻開始不適應(yīng)，熱負荷高的內(nèi)燃機從1970年代開始用噴鍍環(huán)。鉬、合金、碳化物等噴涂應(yīng)用于活塞環(huán)。1980年代初開發(fā)了氮化，80年代中期開發(fā)了復(fù)合分散鍍。80年代后期開發(fā)了PVD，TiN涂層用于活塞環(huán)，90年開始開發(fā)PVD CrN涂層，PVD陶瓷涂覆表面處理新技術(shù)、期待今后更大的發(fā)展。2.電鍍2.1鍍硬鉻在活塞環(huán)的表面處理中，鍍硬鉻為歷史最長久，鍍層厚度5-300m比裝飾鉻

2、0.1-5.0m厚得多，硬鉻鍍層特點為：Hv800-1000耐磨。摩擦系數(shù)低。熔點1890耐熔著磨損性好。耐蝕性好，耐腐蝕磨損性強。圖7.1為鑄鐵鍍鉻頂環(huán)與鑄鐵非表面處理的頂環(huán)和缸套匹配使用，頂環(huán)閉合間隙增大值和缸套磨損量比較，從圖7.1看出鍍硬鉻環(huán)有優(yōu)良的圖7.1鍍硬鉻環(huán)的影響 圖7.2環(huán)的鍍鉻處理 耐磨性和對缸套好的減磨性。圖7.2為鍍鉻處理，環(huán)在鍍槽中的放置和處理方法。圖7.3 為鍍鉻環(huán)斷面的金相組織。鍍鉻廢水處理應(yīng)控制有害6價鉻的含量。圖7.3鍍鉻環(huán)斷面的金相組織2.2鎳基復(fù)合分散鍍表7.1分散鍍的基質(zhì)與分散微粒復(fù)合分散鍍是用固體微粒（分散粒子）與基質(zhì)金屬形成的復(fù)合鍍層。選用分散粒子使

3、鍍層具有耐磨，耐蝕，自潤滑等優(yōu)良性能。分散粒子有氮化物、碳化物、氧化物、氟化物、硅化物等見表7.1表7.2。鎳基分散鍍的細顆粒，Si3N4、Sic 、TiC 、TiC 、Cr3C2相比較可看出Si3N4有優(yōu)良的抗熔著磨損性能，TiN、 TiC 、Si3N4有良好的耐磨性能，它們都比鍍鉻層優(yōu)越。 2表7.2各種分散微粒的物理性能圖7.4為復(fù)合分散鍍的分散材料變化時對滑動性能的影響，從圖可知；Si3N4在眾多的固體微粒中，不論抗熔著磨損還是耐磨都有良好表現(xiàn)，多種復(fù)合分散鍍的耐磨性比鍍鉻層好得多，SiC、 TiC本身耐磨。圖7.4復(fù)合分散鍍的分散材料變化對滑動性能的影響。圖7.5熱處理溫度與復(fù)合分散

4、鍍硬度圖7.6各種表面處理耐熔著磨損性能的比較、圖7.7復(fù)合分散鍍斷面的組織含磷7%以上的Ni-P合金是一種非晶體鍍層，圖7.5為熱處理溫度與復(fù)合分散鍍硬度的變化關(guān)系，鍍前硬度Hv600，熱處理過程Ni3P析出約在400硬度Hv上升到900提高了耐磨性。圖7.6為各種表面處理耐熔著磨損性能的比較，由圖看出復(fù)合分散鍍有很好的耐熔著磨損性，它比鍍鉻、氮化的抗拉缸性能優(yōu)越。圖7.7為氮化環(huán)進行復(fù)合分散鍍的斷面組織。（譯者注：由圖可知從上往下數(shù)的第二層即復(fù)合分散鍍層厚度約為7m，從上往下數(shù)的第三層即氮化層厚70m，從上往下數(shù)的第四層約為環(huán)的基材）。圖7.8各種表面處理材料的磨損比較，由圖可知復(fù)合分散鍍

5、耐磨性能優(yōu)越圖7.8各種表面處理環(huán)的磨損性能2.3鍍錫在鍍鉻層復(fù)合一層軟質(zhì)，展延性優(yōu)良的鍍錫層，在運轉(zhuǎn)初期縮短磨合期，圖7.9表明鍍鉻+Sm環(huán)潤滑油耗量在運轉(zhuǎn)初期比單鍍鉻的低。圖7.9鍍鉻環(huán)與鍍鉻+Sn環(huán)運轉(zhuǎn)時潤滑油耗量的比較。3.噴涂噴涂是用專用設(shè)備把線材熔化或軟化（半熔狀態(tài)）高速噴射到基材表面形成噴涂層，噴涂層組織中還有適量氧化物，氣孔。圖7.10為噴涂分類。圖7.10噴涂分類 圖7.11火焰式噴槍的構(gòu)造圖7.11為火焰式噴槍的構(gòu)造，金屬絲的輸送裝置通過滾輪供給線材，火焰熔化線材到半熔狀態(tài)，壓縮空氣將噴涂材料高速吹向基材表面。線材組成、壓縮空氣與混合氣體的混合比、噴射距離、線材供給速度等使

6、噴涂層特性發(fā)生變化。噴鉬特點：硬度HV700以上。摩擦系數(shù)低熔點高達2630耐腐蝕性好導(dǎo)熱性好松孔存油性能好圖7.12鑄鐵環(huán)鍍鉻噴鉬非表面處理耐磨性比較 圖7.13離子涂原理噴鉬與鍍鉻比較，鉬的熔點高達2630、儲油性好，耐腐蝕性強，尤為抗拉缸性好，耐磨性能比鍍鉻的差參見圖7.12。3.2離子涂圖7.13為離子涂原理，陰極與陽極之間發(fā)生直流電弧，運動的氣體（譯者注：加熱到6000°C的惰性氣體）通過此電弧，外層電子從氣體原子上分離出來形成等離子體、當?shù)入x子體從噴咀中噴出時，運動的氣體將噴涂材料粉末射入等離子體中，等離子將粉末加熱并使其加速噴射到基材表面形成離子涂層。圖7.14為火焰式

7、離子鍍的溫度場。圖7.14火焰式離子鍍的溫度分布 圖7.15離子鍍環(huán)的斷面組織在噴涂材料中，使用多種金屬鉬的混合材料比單獨的純鉬要好，能獲得高硬度、耐磨、低摩擦系數(shù)的涂層。圖7.15為離子噴涂活塞環(huán)的斷面組織，它相當致密。（譯者注：從圖中的孔隙率較低可看出其微密程度）。4.氮化氮化層硬度與基材成分關(guān)系較大，參見圖7.16?；你t釩鋁含量高的氮化后硬度高，選定基材相當重要。含鉻高的鋼氮化后基材中含有碳氮化物粒子，使材料具有優(yōu)良的耐磨性。圖7.16合金元素氮化最高硬度的影響 圖7.17氮化環(huán)的磨損特性 氮化處理的種類及特征參見表7.34.1氣體氮化在氮化前宜在一定溫度下通入NH3 2 NH3-2N

8、+3H2 NH3分解出活性N在鋼表面擴散氮化，圖7.17 7 圖7.19氮化環(huán)的斷面組織 圖7.19氮化環(huán)的斷面組織為氮化環(huán)的磨損特性。從圖可知頂環(huán)氮化的耐磨性優(yōu)于鍍鉻環(huán)，對缸套的磨損與鍍鉻環(huán)的一樣。圖7.18為氮化層深度與硬度關(guān)系，氮化層表層硬度HV1000-1200，圖7.19為氮化環(huán)的斷面組織，由圖可知氮化物粒子呈分散分布。含碳較高的鋼氮化物粒子較多，耐摩擦性較好。氮化環(huán)由于有優(yōu)良的耐磨性，其產(chǎn)量逐年增多。4.2鹽浴氮化鹽浴氮化適用的鋼鐵形狀不受限制，氣體氮化對奧氏體不銹鋼困難的場合。鹽浴氮化按3XCNOXCN+X2CO3+C+2N反應(yīng)式進行，式中X是堿金屬。鹽浴氮化層組織由表面到內(nèi)部為

9、氧化膜，疏松層，化合物及擴散層。鹽浴前十分注意環(huán)的狀態(tài)，要搞好噴砂酸洗去鈍化膜處理。注意廢水廢氣處理。4.3離子氮化圖7.20環(huán)側(cè)面離子氮化的斷面 圖7.21離子氮化原理圖7.20為離子氮化環(huán)斷面，其外圓面為弧形氮化層。在抽真空氣氛下，通入N2和H2的混合氣體，環(huán)為陰極，爐壁為陽極，升溫通直流電，輝光放電，氮離子向環(huán)外圓面轟擊，參見圖7.21，獲得離子氮化層。5. PVD（離子涂）圖7.22 PVD法的分類 圖7.23 AIP裝備的基本結(jié)構(gòu)（電弧離子鍍） PVD法參見圖7.22所示，包括真空蒸發(fā)、濺射、離子涂。使用等離子電弧鍍膜機，Ti在真空坩堝內(nèi)受到電弧電源作用，用電子槍轟擊蒸發(fā)，形成蒸發(fā)的

10、Ti離子與氣體入口處通入的氮原子以一定比例在真空被離化激活。在環(huán)的負偏壓吸引下，射向環(huán)表面形成致密鍍層。表7.4為真空電弧蒸鍍涂層及其特性表。表中表明用途為切削工具、金屬模板、裝飾品等。TiN環(huán)涂層有優(yōu)良的耐磨耐腐蝕性耐熔著磨損性，TiN涂層厚制作較困難。殘留應(yīng)力較大。約在10m以下。（譯者注：用于活塞環(huán)為1.55um）圖7.6表明PVD（TiN）鍍層有優(yōu)良的抗熔著磨損性能。CrN涂層的耐熔著磨損性見圖7.24，它比其它的要好，其涂層可以相當厚圖7.24各種表面處理的耐熔著磨損性6.化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。6.1磷化膜磷化膜的多孔結(jié)構(gòu)具有吸附保油性，耐蝕性。起到防銹及易于初期磨合的作用。防止了金屬與金屬之

11、間發(fā)生的直接摩擦。磷化膜主要用在活塞環(huán)的側(cè)面的表面處理，通常厚度為幾個m。用于磷化的主要有磷酸鋅系和磷酸錳系。以磷酸鋅系磷化為例，磷化反應(yīng)在環(huán)的表面的形成一層難溶于水的磷酸鹽微孔狀結(jié)晶保護膜，直到氫氣泡停止溢出、磷化膜形成，磷化反應(yīng)終了。6.2四氧化三鐵膜氧化劑加入高濃度的荷性鈉水溶液中浸泡5-30分鐘，處理溫度130-150環(huán)的表面被氧化成四氧化三鐵膜。它致密呈黑到黑褐色，能防銹，改善初期磨合，該處理溶液市場有售。9 （譯者注；CrN層厚達50um）7.自潤滑涂層7.1固體潤滑膜近年來由于內(nèi)燃機高性能化，導(dǎo)致環(huán)的工作溫度升高，運轉(zhuǎn)初期環(huán)外圓面、側(cè)面和活塞的環(huán)槽磨損等。對策為對環(huán)側(cè)面等進行固體潤滑膜處理。采用浸漬法，膜厚2-10m。將固體潤滑劑粉末分散分布在環(huán)表面。固體潤滑膜粘結(jié)劑分類和品種參見表7.5。有機粘結(jié)劑有常溫硬化和加熱硬化兩種。固體潤滑劑的分類和品種參見表7.6。MOS2 、石墨、特氟?。≒TFE）等固體潤滑劑不同的