内燃机零部件不同表面处理膜层的耐磨性试验研

1 研究背景

活塞环是内燃机内部具有一定弹性的金属环，其被嵌入活塞槽沟内部，具有密封、贮油、传热和导向等作用。根据密封介质的不同，它可分为气环和油环。由于它长期处于活塞在腔室内高速高频的往复做功运动中，并伴随有一定的振动和摩擦作用，这就要求其必须具备良好的耐磨性、耐热性、抗腐蚀性和切削性等特征，以适应零部件在使用过程中的要求。因此，需不断优化金属零部件的结构，将新理论和新技术转化为实际应用，从而提高机械设备的综合经济性。

随着科学技术和现代机械、材料工艺的不断发展，为改良活塞环的物理特性，常采用各类表面处理工艺，如镀铬、淬火、硫化、喷涂二氧化钼、喷涂陶瓷材料等。这些方法通常会在零件的表面形成一层保护膜或涂层，膜层的硬度、活性和附着力等直接体现了零件的耐磨性、抗腐蚀性等特征。

磨损问题是金属材料在使用过程中比较常见的问题，因此活塞环耐磨性的好坏直接关系到其耐摩擦、耐磨损的能力，也决定了其使用寿命。为比较各类表面处理工艺在改善活塞环耐磨性能上的优劣，本文依据现行标准GB/T 1768-2006和GB ，使用国内在耐磨性试验方面普遍采用的旋转磨擦橡胶轮法（即Taber法），对其改善耐磨性的程度进行评估。

2 试验过程

2.1 试验样品

本文选用5个相同的φ80mm×（1～2）mm、中心φ70mm的活塞环为试验样品，分别进行镀铬、淬火、硫化、喷涂二氧化钼、喷涂陶瓷材料5种不同的表面膜层处理。

2.2 试验方法和设备

耐磨性能的测量使用如图1所示的磨耗测定仪。该设备主要由载盘、磨擦橡胶转轮和应力的加载装置构成。测量原理：当测试样品被固定在载盘上时，通过加载装置控制转轮与载盘的摩擦力度，其中一侧的橡胶转轮由样品的中心向外侧进行摩擦，另一侧的橡胶转轮由样品的外侧向中心进行摩擦，而在橡胶转轮上粘附的砂纸会因发生摩擦而出现不同程度的损耗。在固定的摩擦力度和摩擦循环次数下，通过观察和记录砂纸的质量损失来评估样品的耐磨性能。

图1 磨耗测定仪

3 试验结果与分析讨论

3.1 试验结果

分别使用规格为150目和400目的砂纸进行两个工况的Taber法耐磨性测试，过程中两侧橡胶转轮所用的砂纸相同。将摩擦循环次数设定为100次，并分别记录砂纸的质量损失量和被磨穿时的循环次数，结果如表1和表2所示（表中“1-”代表左侧转轮，“2-”代表右侧转轮）。

表1 摩擦循环100次的质量损失编号 膜层处理方式 砂纸质量损失/mg 1-150 2-150 1-400 2-400 1 喷涂陶瓷材料 21.72 26.98 7.34 8.32 2 喷涂二氧化钼 26.04 32.49 9.41 8.34 3 硫化 81.21 92.34 17.21 17.56 4 淬火 252.12 260.24 103.21 134.21 5 镀铬 241.23 211.23 132.12 140.82

表2 砂纸被磨穿时的循环次数编号 膜层处理方式 循环次数/r 1-150 2-150 1-400 2-400 1 喷涂陶瓷材料 81 72 36 34 2 喷涂二氧化钼 66 44 33 36 3 硫化 31 32 19 21 4 淬火 22 21 5 3 5 镀铬 19 18 2 3

3.2 结果分析讨论

由表1和表2的数据可以看出，在使用150目砂纸时两转轮的测试结果比较相近，而使用400目砂纸时二氧化钼膜层的测试结果偏差较大，说明部分生产厂家由于质量原因，砂纸的正向和逆向摩擦阻尼存在较大偏差，会对磨耗的测定结果产生一定的影响。

本组试验中，在相同的加载力作用情况下，砂纸的质量损失越大，说明膜层与砂纸间的摩擦作用越强，膜层光滑的表面更容易因摩擦而变得粗糙；砂纸被磨穿时的循环次数越小，说明膜层在加载力作用下更容易发生表面破损，即耐磨性能越差。虽然砂纸质量会对结果产生一些影响，但从表格数据的大致趋势仍然可以对比出各组膜层的耐磨性能，即镀铬＜淬火＜硫化＜喷涂二氧化钼＜喷涂陶瓷材料。

4 结论

本文通过Taber法对不同表面处理膜层方式改变活塞环耐磨性能的程度进行评估，通过对比各膜层在150目和400目砂纸下的摩擦损失量，得出以下结论：

（1）Taber法可作为膜层耐磨性能的评估方式；

（2）摩擦循环100次的质量损失量和砂纸被磨穿时的循环次数，均可作为评估膜层耐磨性能的参考依据；

（3）生产厂家的砂纸质量会对磨耗测定产生一定的影响，建议使用多种厂家的砂纸进行试验，通过对比分析进行综合判断；

（4）在提升活塞环膜层的耐磨性方面，镀铬＜淬火＜硫化＜喷涂二氧化钼＜喷涂陶瓷材料。

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