内燃机车柴油机活塞环镀铬涂层发展综述

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内燃机车柴油机活塞环镀铬涂层发展综述
谭勇敢  张新国  肖静岚
(常州中车柴油机零部件有限公司，江苏常州213166)
摘要：镀铬涂层硬度高、结构致密、耐磨，具有良好的抗磨粒磨损性能。文章介绍了8种改进型镀铬涂层的性能、特点及应用，可满足各种机车柴油机工况要求。
关键词：柴油机；活塞环；涂层；镀铬；内燃机车
中图分类号：U262.11   文献标识码：B
 
    铁路机车提速重载使得大功率柴油机的强化程度不断提高，对柴油机关键零部件活塞环提出不断发展要求。由于活塞环承受着高温和剧烈的磨损，柴油机缸套一活塞环摩擦副的表面磨损问题因而愈加突出，需要对活塞环进行表面处理来提高活塞环的性能。
    活塞环的表面处理的发展以外圆工作面耐磨功能涂层为主，镀铬是铁路机车活塞环最主要的耐磨功能涂层,某公司对活塞环镀铬涂层进行了持续研发，在标准镀铬的基础上研发了高效镀铬涂层、松孔镀铬涂层、功能梯度镀铬涂层、抗疲劳镀铬涂层、陶瓷增强镀铬涂层、磨合镀铬涂层等，目前正在设计研发自润滑镀铬涂层，性能循序渐进的各种镀铬涂层可应对多样化的工况，满足现有各种工况柴油机的需要。
1活塞环镀铬涂层优点
    硬铬熔点高（1770T)，有利于抵抗粘着磨损；铬有极好的耐腐蚀性能抵抗润滑油油中硫份、工业区大气等的腐蚀；铬镀层硬度高（大于HV800),结构致密，良好的镀层中绝无孔隙，能很好地防止磨粒嵌入，具有良好的抗磨粒磨损性能；滑动摩擦因数在各种金属中偏小,具有很好的耐磨特性；电镀硬铬是在50-60T的温度下进行，而且镀层与基体整体温度一致,不影响零部件基体材料性能，因而电镀硬铬成为活塞环工作面最主要的强化方式。
2活塞环镀铬功能涂层的发展
2.1标准镀铬涂层
采用铬酸与硫酸组成的标准溶液生产的电镀硬铬涂层（见图1),电流效率8%~13%、电力浪费大、镀层结晶粗大、裂纹密度小（小于40条/mm)、电镀速度低（只有10~20pm/h),导致其生产时间长，目前该种镀铬涂层仍在一些轴类零件上使用。DF11与DF8系列活塞环的电镀工序镀层厚度要求为300-350pm，早期采用标准镀铬涂层，电镀时间为15h以上。

2.2高效镀铬涂层
    通过在标准溶液中添加镀铬添加剂，一方面改善镀层晶体结构，使镀层结晶细小，裂纹密度增加到40~100条/mm;另一方面提高氢析出电极电位，用于铬沉积电流增多，从而提高电镀速度电流效率达到22%~26%、节省50%电量。改进后的镀层形貌见图2，经试验验证，高效镀铬组织致密，硬度约提高HV50,用于润滑条件较好，负荷不太大（15MPa以内）的工况。EMD系列机车活塞环组、DF11、DF8系列活塞环均采用该种高效镀铬涂层，电镀时间缩短到8h左右。
2.3  松孔镀铬涂层
采用电化学或化学方法在活塞环标准镀铬或高效镀铬涂层表面进行松孔处理，产生网状储油裂纹，使用时裂纹中润滑油补充到摩擦面，使活塞环与缸套的摩擦表面润滑状况得到改善，解决镀铬层对润滑油粘附性差的问题，减少因摩擦面油膜缺失造成的磨损失效。活塞环松孔镀铬涂层表面形貌见图3。松孔镀铬涂层用于润滑不良、负荷较大的工况。松孔镀铬涂层使活塞环摩擦性能得到提升，从而提高了寿命。目前某公司生产的300mm直径活塞环采用松孔镀铬。


2.4  功能梯度镀铬涂层
    通过采取不同的工艺参数，电镀出硬度、强度性能不同的分段涂层，形成性能成梯度分布的功能镀层，具有梯度抗磨损功能。功能梯度镀铬涂层截面结构见图4。如外层电镀硬度在HV500左右的乳白铬，往里逐渐提高硬度到HV900以上，或性能交错分布的功能梯度涂层。功能梯度镀铬涂层外层磨损相对较快，使活塞环与缸套贴合紧密，缩短磨合期;相对高效镀铬涂层，功能梯度镀铬涂层较好地满足了活塞环在不同工况或不同使用阶段下运行的需要，加速活塞环与缸套的磨合,使用性能与使用寿命均相应提高。目前该涂层活塞环有待推广使用。
2.5抗疲劳镀铬涂层
柴油机的高速重载使活塞环、缸套等摩擦零部件的往复运动速度与承载力上升（摩擦速度与摩擦力上升），导致工件疲劳损伤的风险加大，容易产生疲劳开裂甚至疲劳断裂。具有每层网状微裂纹的多层层状抗疲劳镀铬镀层（见图5)，网状微裂纹分散了应力集中、层状结构能减缓初期疲劳裂纹向纵深扩展，该镀层相对于高效镀铬涂层其抗疲劳断裂性能提高50%以上。而且该涂层所具有的整个涂层厚度范围内的网纹具有储油润滑作用，克服了松孔镀铬涂层裂纹较宽导致强度下降的缺陷，经测试其摩擦学性能与使用寿命均提高50%以上。该涂层经试验验证,效果良好。

2.6陶瓷增强复合镀铬涂层
    随着柴油机平均有效压力及爆发压力不断增大，活塞环工件受力增大,所承受的机械负荷与热负荷均超过普通硬铬镀层承受极限，在此情况下,在抗疲劳镀铬涂层的基础上开发了更加耐磨的陶瓷增强复合硬铬涂层。运用复合镀技术，在镀层中增加了硬度高达HV2000以上的陶瓷材料，其含量大于2%。陶瓷增强复合镀铬涂层形貌见图6。陶瓷材料可以提高活塞环的耐热耐磨性。经过试验验证,陶瓷增强复合镀铬涂层提高了镀层的疲劳性能，同时大幅提高了镀层的抗磨损性能达50%以上。目前该涂层活塞环在HXn5型机车上应用，取得非常好的效果。

2.7  磨合镀铬涂层
在高效镀铬涂层、松孔镀铬涂层、功能梯度镀铬涂层、抗疲劳镀铬涂层以及陶瓷增强复合镀铬涂层的表面镀覆具有相对较低硬度的软质磨合涂层，如锡镀层、铜镀层、镍镀层等涂层，磨合镀铬涂层结构见图7。这些磨合涂层由于硬度较低，容易磨损，缩短了活塞环与缸套摩擦匹配副的磨合期，提高了活塞环的密封性能。磨合涂层根据磨合工况选用，可选用一种或多种应对不同磨合阶段需要。磨合镀铬涂层对减少窜气、降低油耗与排放有显著的效果。目前该种涂层在直径300mm以上活塞环上有应用。




2.8  自润滑耐磨复合镀铬涂层
    柴油机性能不断提升，机械负荷与热负荷将导致活塞环与缸套摩擦面油膜缺失，加剧活塞环与缸套的磨损，影响柴油机性能发挥，因而对涂层的自润滑性能提出了新的要求。根据活塞环在上述特别恶劣的摩擦工况下而设计出自润滑陶瓷复合镀铬涂层,在这种恶劣的摩擦工况下，活塞环等工件处于边界润滑甚至干摩擦状况，摩擦表面温度急速上升,导致工件磨损过大，甚至发生材料转移粘着磨损（拉缸）。自润滑耐磨复合镀铬涂层的结构与铬陶瓷复合镀层结构类似。为解决摩擦面润滑油缺失导致干摩擦产生的磨损，在陶瓷增强复合镀铬涂层的基础上在材料成分中更换或增加石墨等其他润滑材料，研制自润滑耐磨镀铬涂层。在摩擦面因气流冲刷、高温或过载导致润滑油膜缺失时，镀层补充润滑材料到摩擦面，防止粘着磨损的发生，从而进一步提高了活塞环使用寿命。
3结论及展望
    铬陶瓷复合涂层是目前应用效果最优的活塞环耐磨功能涂层，开辟了一种活塞环工作面功能涂层制作的新方法。以耐磨的硬铬涂层为基础，匹配各种不同结构与性能的不溶于铬酸的镶嵌材料，可得到具有各种不同性能的涂层，从而适应各种各样的工况条件,满足铁路机车柴油机发展的需要。如采用在高温下会转化成石墨的金刚石作镶嵌材料,增加镀层陶瓷材料硬度，提高抗磨损能力；镶嵌润滑材料,改善摩擦面状况，提高抗粘着磨损性能；镶嵌抗腐蚀材料提高涂层抗蚀性能；镶嵌具有互补作用多种材料提高涂层综合性能等。
随着柴油机性能的不断提高，需要加强核心零部件活塞环表面处理技术创新研究，特别是活塞环铬陶瓷复合镀层技术的进一步深人研究，为研制更高标准的柴油机提供支持