CrN涂层在活塞环再制造中的应用

CrN涂层在活塞环再制造中的应用（河北农业大学机械设计制造及其自动化0903王卫）摘要：发动机燃烧膨胀冲程中，气缸内高压燃气从活塞环闭口间隙处产生一定的泄漏，影响发动机的动力性能；另外在活塞运动过程中，由活塞环造成的摩擦功损失占整机总摩擦功损失的10%以上。本论文提出一种表面制备有CrN涂层的活塞环，该活塞环密封性能提高、摩擦损失降低，减少了由活塞环导致的燃油消耗量，为节省内燃机燃油提供了一种新思路。关键词：活塞环、CrN涂层、密封性、摩擦ResearchonfrictionandSealPerformanceofremanufactureofPistonRingwithCrNCoatWangwei(AgriculturalUniversityofHeBei，Mechanicaldesignmanufactingandautomation)Abstract:Duetotheexistenceofpistonringclosegap,leakageofhigh-pressuregasduringcombustionandexpansionstrokeshasasignificantinfluenceonenginepowerperformance.Besides,thefrictionpowerresultedinbypistonringisinexcessof10%ofthetotalfrictionpowerofengine.ThisthesisproposeanewtypeofpistonringwithCrNcoat.Sealperformanceofthispostonringisincreased,andfrictionpowerisdecreased.Thisnewtypeofpistonringcandecreasetheconsumeoffuel,andprovideanewmethodonfuelsaving.Keywords:remanufacturepiston、ringCrNcoat、sealperformance、friction引言活塞环包括气环和油环。气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，同时将活塞环顶部的大部分热量传给气缸壁。其中密封作用是主要的，因为密封是导热的前提，如果密封性能不好，气环和气缸壁将贴合不严而不能很好地散热。此外，由活塞环造成的摩擦功损失占整机总摩擦功损失的10%以上，随着发动机功率密度的增加，发动机最大爆发压力和活塞平均速度提高，摩擦功也将相应增加。因此，在保证密封性能的前提下尽量降低摩擦功是活塞环-气缸套摩擦副设计的主要目标之一。为降低摩擦功，改善活塞环，特别是顶环的密封、润滑条件，减少摩擦副磨损，许多学者进行了相关的研究，目前研究方向主要有以下几个方面：1、改善活塞环的结构设计；2、改善润滑油性能；3、部分学者提出通过采用组合式活塞环来减少摩擦、改善发动机性能的想法，并进行了相关研究。另外对活塞环表面涂层的研究也很多。笔者在保证活塞环气密性的前提下，以减少摩擦功耗为研究目的，提出了将CrN涂层应用在活塞环再制造中的思路，设计了一种制备有CrN涂层的内燃机废旧活塞环，并对其进行了密封性能分析、摩擦功耗分析和试验研究，为今后活塞环的绿色制造提供了新的思路。1活塞环材料与涂层制备方法发动机活塞环材料大多选用65Mn钢作为基体，作清洗处理；设备本底真空优于2x10-3Pa，烘烤温度300oC，在-800V偏压条件下，Ar+离子溅射清洗基体表面20min，以提高表面活性。偏压保持在-200V，沉积纯Cr过渡层5min。用质量流量控制器控制N2与Ar气流量，镀层制备的氮气含量为：0、15％、25％、35％、45％或55％，以制备出不同相结构和化学计量比的CrI薄膜，镀层沉积时间为2h。通过查阅资料得到图2[2]（该图为装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室蔡志海等通过2试验得到）。图2为不同氮气含量下沉积Cr-N涂层的XRD谱。由图分析可得：当N2含量达15％时，薄膜基本由单相Cr2N组成，随着N2含量增加，薄膜中开始出现CrN相，不过较微弱。N2含量达35％时，膜层主要的相组成为CrN和Cr2N，CrN相的相对含量开始超过Cr2N相。N2含量高于45％，主要由单相的CrN组成。单相的CrN材料硬度高，摩擦系数小，所以采用单相CrN材料，故镀层制备的氮气含量应控制为45％以上。2再制造后的活塞环密封性能分析活塞环有一个切口，切口主要有三个作用[3]：1、安装方便；2、活塞环随活塞一起装入气缸后，由于切口的存在产生弹力紧贴在气缸壁上，产生密封性能；3、保证活塞环在工作过程中的热膨胀量。没有切口或者切口过小会导致活塞环径向弹力不足，环的密封作用差，刮油能力弱，易造成窜气、窜机油及降低压缩压力，使内燃机的正常工作受到影响。由于切口间隙的存在，活塞环的密封性能受到影响，气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路就是活塞环的切口。一般普通活塞环采用两个或三个气环的密封组合，并使相邻气环的闭口间隙错开一定的角度，构成迷宫式泄漏通道，从而减少泄漏气体的流速和流量，实现密封高压气体的目的，使其具有甚至比新的活塞环的性能高。3再制造后的活塞环密封性能试验研究3.1试验方案和方法发动机工作受许多因素影响，即使以某一工况稳定运转时，这一循环和下一循环的燃烧过程也不断变化，并表现在压力曲线上[4]。为方便研究，减少各种不确定因素对试验的影响，设计发动机静态试验方案，并搭建了静态试验台模拟发动机的工作情况。试验采用常柴生产的175型柴油机[1]（单缸、4冲程、缸径为75mm）及其配件，其气密分析系统如图3所示。该系统主要组成部分有：（1）试验发动机部件，包括发动机的机体组部件、气门组部件、活塞连杆组部件、组合式活塞环等，主要作用是通过更换活塞环，进行发动机普通活塞环和发动机再制造后的活塞环的密封性能试验；（2）气压系统，包括高压气瓶、压力表、减压器、高压气管等，主要作用是给试验发动机部件的气缸中提供一定的气压；（3）数据采集系统，包括压力传感器、数据采集模块等，主要作用是对试验数据进行采集和显示。试验方法[1]：（1）试验发动机部件装上两个气环，开口保持相互错开180o；（2）打开高压气瓶，当气缸体内压力保持在一定压力时，关闭高压气瓶；（3）通过数据采集系统，对压力变化数据进行采集和显示，直到气缸体内压力减小到初始压力时停止测量；（4）根据测量的压力变化数据及其时间做出对应的压力-时间曲线；（5）更换3个气环，开口保持相互错开120o，重复2、3、43项；（6）更换再制造后的活塞环，重复第2、3、4项。密封性优劣比较方法：由于高压气体的泄漏，随时间的增加，各种气环形式的内燃机缸内压力均下降，一定时间以后缸内会达到一个压力不再变化的稳定状态，从打开高压气瓶到稳定状态的需要的时间越长，密封性越好。3.2试验结果分析在搭建的发动机气密分析系统试验台上，进行普通活塞环和发动机再制造后的活塞环的密封性能试验[1]，对缸内压力变化数据进行了采集见表1，对应的压力-时间曲线如图4所示。由试验结果可以得出：单气环缸内的压力在90s后不再发生变化，单气环缸内压力70s后不再发生变化，再制造后的环缸内压力80s后不再发生变化。单气环的持续时间分别为二气环和再制造后的活塞环的77.8%和87.5%，而再制造后的环的持续时间是二气环的88.9%。从以上试验数据可以得出，再制造后的活塞环的密封性能优于二气环，但与二气环相比仍存在不足。为模拟发动机工作的实际工况，改变气缸内初始压力值，3种形式活塞环的密封性能试验结果如表2所示。由表2可以看出，在不同的压力作用下，再制造后的活塞环的密封时间均长于单气环，从而说明再制造后的活塞环的密封性能优于单气环。由以上试验数据分析可以得出结论：在不同的压力作用下，再制造后的活塞环的密封性能优于单气环，比二气环略差，因此再制造后的活塞环可以在内燃机的再制造中成功应用。4再制造后的活塞环摩擦功耗研究4.1CrN薄膜试样与Cr电镀层摩擦性能研究[2]Cr电镀层(图6a)和N2含量45％时沉积的CrN薄膜(图6b)的微动摩擦系数曲线表明，电镀Cr试样的摩擦系数较高(约0.25)，且摩擦系数很不稳定，磨损初期有较长的磨合期(约800s)，此时摩擦系数急剧升高，最高达0.35，然后进入正常磨损期，摩擦系数随摩擦时间增长而略有下降趋势；而CrN薄膜试样具有很好的摩擦匹配性能，磨合期非常短，从摩擦开始到结束，其摩擦曲线变化平稳，随摩擦时间增长略呈下降趋势，整个摩擦过程的摩擦系数平均值约为0.14，明显低于电镀Cr试样。通过电镀Cr再制造后的活塞环摩擦功耗研究和CrN薄膜试样与Cr电镀层摩擦性能究可以得4出结论：再制造后的活塞环摩擦功耗小于普通气环，CrN薄膜试样摩擦系数小于普通Cr电镀层，所以制备有CrN涂层的内燃机新型再制造后的活塞环的摩擦功耗远小于普通气环，可以降低燃油消耗率，提高燃油效率。5结论1、在各种压力作用下，再制造后的活塞环的密封性能均优于单气环，再制造后的活塞环可以在内燃机的再制造中成功应用。；2、CrN薄膜试样的摩擦系数小于普通Cr电镀层摩擦系数；3、在比普通内燃机单气环密封性能更优的条件下，制备有CrN涂层的内燃机新型再制造后的活塞环摩擦功耗更小，可以降低燃油消耗率，节省燃油。参考文献[1]蔡志海，张平，赵军军，杜军，牛庆银.CrN活塞环涂层的工艺制备与摩擦学性能研究[J].北京：装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，2009[2]陈家瑞.汽车构造：上册[M].北京：机械工业出版社，2009[3]常思勤.汽车动力装置[M].北京：机械工业出版社，2006[4]孔凌嘉.内燃机缸套-活塞环摩擦学系统研究[D].陕西：西安交通大学，1991研[5]郝建军.TiNC材料再制造厚金属陶瓷复合涂层的反应合成制备技术，20125