活塞环的抗磨与固体润滑技术应用

森淼

内燃机活塞环在气缸中高速往复运动，承受燃烧爆发压力和高温燃气作用，机械负荷和热负荷严重，润滑条件差，主要失效形式为磨损。有效减摩对于延缓失效、提高效率有着十分重要的意义。 （1）活塞环磨损机理 活塞环包括气环和油环，气环保证活塞与气缸壁密封并将活塞头部的热量传递给气缸，兼刮油、布油辅助作用；油环将气缸壁上多余的机油刮回油底壳，在气缸壁上均匀布油，兼密封作用。 活塞环在高温、高压、高速和润滑恶劣条件下工作，不仅与环槽侧面上下撞击，还与缸壁高速滑动摩擦，压向气缸壁的总压力高达26～29MPa，由于径向胀缩而与环槽侧面产生摩擦，第一、二道活塞环常处于半干摩擦状态产生较大摩擦热。 活塞环要求环材料具有良好的耐热性、导热性、耐磨性、韧性和足够的强度及弹性。活塞环是内燃机中寿命最短的零件之一。磨损失效主要涉及早期异常磨损、黏着、磨料和腐蚀磨损，而黏着磨损与早期异常磨损是强化发动机活塞环较常出现的失效形式。但这些磨损现象不是单独出现，而是同时存在并且相互影响。 （2）固体润滑涂层应用 降低摩擦磨损并提高燃机效率的主要措施包括耐温油润滑、固体润滑和自润滑耐磨材料应用。国外有关科研部门对此展开了积极的研究。 瑞士在活塞环气缸壁的工作表面在金属基体中沉积六方氮化硼、氟化钙或氟化钡，在发动机安装或磨合阶段可靠地防止对活塞环和气缸的损坏，气缸工作表面采用等离子喷涂含有FeO和Fe3O4固体润滑剂的涂层。 美国分别研究了渗氮不锈钢和镀铬不锈钢活塞环热喷涂CrN物理气相沉积类金刚石碳（DLC）经受E85乙醇燃料（85％乙醇和15％无铅汽油）的性能，DLC膜可以获得0.10的摩擦因数，对气缸内壁磨损最低。与硅酸钠粘结二硫化钼膜相比，在高碳钢表面增加退火的前处理工艺，可使磨损量减少19％以上。 日本在活塞环含有二硫化钼磷化层基础上研发出磷化晶粒间隙同时嵌入固体润滑剂。近期的研究方向结合了活塞环侧面上分散有固体润滑剂的高分子材料。如聚酰胺酰亚胺-二氧化硅复合的耐热性材料构成的涂膜，防止在活塞环沟槽和活塞环之间产生的铝胶粘。 德国采用聚酰胺酰亚胺和聚醚醚酮粘接硬质材料、固体润滑剂或金属，能够短时间经受高温。事实上，二硫化钼在425～480℃时开始缓慢氧化生成MoO3，即便如此，由于在表面形成稳定膜，其氧化速率也较慢，在氧化比例低于30％时二硫化钼仍然具有润滑特性。与氟化石墨相比，二硫化钨和硫化铅能显著降低活塞环的磨损。 （3）高分子固体润滑机理高分子涂层对于活塞环的润滑作用决定于以下几个方面： ①表面微观多孔状或橘皮状结构可储藏润滑油，与固体润滑剂产生减摩协同效应。②易于塑性变形，与气缸壁适配，增大真实接触面积，缓解应力集中。③隔离活塞环和气缸壁表面，减小摩擦阻尼并在对磨金属表面形成转移膜。④良好的防腐性能和吸震功能，减缓腐蚀磨损和冲击磨损。因此特种耐温树脂的固体润滑涂层应用于活塞环表面可以缩短磨合期、延长使用寿命，同时可以用于其修复。