活塞环给人的第一印象并不起眼,就是这样看似简单的零部件,其生产涉及铸造、热处理、机械加工、表面处理等多个技术领域,需要先进技术才能完成。
目前,我国活塞环企业在技术研发方面仍与国外存在一定差距,主要表现在四个方面:一是在材料和表面处理方面,国内企业正处于创新的初级阶段或者基本上没有创新能力;二是在产品台架验证方面刚起步;三是国内企业缺乏产品设计经验,近几年才开始积累各种数据;四是国内工艺水平受设备影响较大,复杂产品很难保证生产能力。
由于活塞环既是发动机的关键零部件,又是发动机中工况条件苛刻的摩擦件之一,要求活塞环必须具有较高的抗磨损性能。新材质和新型表面处理工艺,成为活塞环行业满足未来市场需求的主要技术关注点。
■ 材料钢质化、活塞环薄型化是活塞环技术发展趋势
近年来,由于车用发动机向高强度、高输出功率、轻量化方向发展,活塞环变薄,重量变轻,这就要求活塞环具有很高的强度,对活塞环材质的要求也越来越高。据了解,车用发动机活塞环用的材料经历了普通灰铸铁—高合金铸铁—球墨铸铁—钢的发展过程。其中,传统车用柴油发动机的活塞环一般使用球墨铸铁或合金铸铁,汽油发动机的活塞环一般采用钢。
专家表示,过去多用于汽油机上的钢质活塞环已经逐渐被引入到柴油机领域。相比铸铁环,钢质活塞环无需铸造,而且重量轻、加工方法简单,国内主流厂家都进行了新型钢环的研发和生产。目前,车用柴油机行业使用钢环比例已经很高了。
活塞环技术发展的另一趋势是薄型化。采用该技术后,活塞环高度变小,活塞环与缸套之间的密封性加强,可以大大减少润滑油进入燃烧室的机率,从而降低排放污染。目前这一技术正在车用柴油机和汽油机领域推广运用。
表面处理工艺是提高活塞环性能的关键
车用发动机正在向高机械负荷和高热负荷方向发展,高输出功率发动机的耐久性要求也在大幅提高。同时低燃料消耗、低废气排放等环保法规越来越严格。此外,发动机对活塞环耐磨损性能、耐拉缸性能,以及对缸套不会造成太大磨损的滑动特性要求也越来越高。鉴于这些情况,要提高活塞环的上述性能,表面处理工艺是关键。
一般而言,球墨铸铁和合金铸铁活塞环表面处理工艺包括磷化、氧化和镀铬。其中,镀铬是目前国内大多数厂家采用的工艺。不过,镀铬工艺对环境污染严重,生产效率低,活塞环的废品率和生产成本高,特别是废液中重金属的再处理难度大。据介绍,国外已逐步减少镀铬工艺,大量采用喷钼、氮化、喷陶瓷新工艺,以减少环境污染,提高生产效率和高档次活塞环的使用效果。钢质环则多采用氮化、喷钼、物理气相沉积(PVD),较为先进,在发达国家尤其是日本的活塞环企业广为采用了该技术。
随着国内发动机工业的进步,我国的活塞环表面处理工艺也得到了长足发展,氮化、喷钼、端面闪镀(活塞环侧面强化新技术)、复合电镀(铬陶瓷,CCC)、物理气相沉积(PVD)、超高速氧焰喷涂(HVOF)、铬金刚石复合镀(GDC)等先进工艺开始应用,并成为技术发展趋势。