一種三組合不粘油活塞油環的制備方法及試驗研究

(安慶帝伯格茨活塞環有限公司，安徽 安慶 246000)

0 引言

隨著人們環保意識的日益提高，對汽車低油耗和低排放的要求也變得越來越嚴格，因此進一步控制發動機潤滑油的消耗，減少和凈化尾氣排放是當前汽車發展的迫切需求。活塞環作為發動機的核心零部件，控制潤滑油是其重要作用之一。活塞環上行運動時在缸套內壁進行布油，以促進潤滑，減少活塞環和缸套的摩擦磨損。下行運動時，將缸套內壁多余的潤滑油刮下使其流回油底殼，減少潤滑油進入燃燒室被燃燒蒸發掉的可能。

目前，發動機普遍采用三道環方式：第一道密封環起密封和熱傳導作用；第二道環主要起部分密封和部分刮油作用；第三道環主要是用于刮油[1]。據統計，75%以上的潤滑油是靠第三道活塞環刮下的。為了實現發動機輕量化和高速化運行，目前的絕大部分汽油機油環普遍采用三組合油環，即上下兩個刮片環加一個襯環的組合方式。

本文設計并試驗了一種三組合的不粘油活塞環。目的在于解決現有的三組合油環表面容易形成積碳并導致機油消耗高的問題，可使潤滑油在油環表面快速流動，防止潤滑油粘在活塞環表面并形成結膠和積碳，以達到降低機油耗的目的。

1 制備方法

本文設計的不粘油三組合活塞油環由軸向的上下一對刮片環與位于兩刮片環之間的襯環組成，在襯環上下側面和與襯環接觸的刮片環面上涂覆一種由二硫化鉬和聚四氟乙烯組成的不粘油涂層，其制備方法如下：

(1)將需要涂覆的襯環和刮片環進行超聲波清洗，除去襯環和刮片環表面的油污；

(2)對襯環和刮片環表面進行前化學處理，將襯環和刮片環放入錳磷酸鹽溶液中進行磷化處理，在襯環表面生成一層較薄的磷化層，處理時間3～5 min，溫度為60～80 ℃，磷化層厚度1～3 μm；

(3)磷化處理后，將襯環和刮片環放入純凈水中清洗1 min，水溫為60～70 ℃；

(4)清洗完成后放入烘干爐中烘干，烘干溫度為90～105 ℃，時間5 min；

(5)噴涂處理,采用全自動360°旋轉式電控噴頭，噴涂速度快、噴涂效率高，涂層的厚度均勻。噴槍為0.8 mm的超細噴槍，噴涂時將噴槍與環體表面分別呈75°、90°、115°，連續噴涂3次，噴涂不粘油涂層的成分以質量百分比(wt%)計算：二硫化鉬5 wt%～35 wt%，聚四氟乙烯65 wt%～90 wt%；

(6)干燥處理，將噴涂好的襯環和刮片環放在無塵箱中進行干燥，干燥時間20～30 min，干燥溫度100 ℃；

(7)翻轉襯環，重復步驟(5)和步驟(6)噴涂襯環的另一面；

(8)固化處理，將襯環和刮片環處理時間10 min，固化溫度160～200 ℃。

為提高刮片環的外圓耐磨性，可預先對上述步驟(1)中的刮片環外圓面用等離子氮化方式生成等離子氮化層。襯環位于兩片刮片環之間，依靠推壓刮片環的內圓面使刮片環獲得張力。本文所述的三組合油環是通過在襯環的表面和與襯環接觸的刮片環面噴涂一種不粘油涂層來加快潤滑油在環表面的流動性，從而減少環表面的潤滑油殘留，使潤滑油能很快流走而不會造成油環結膠，同時沖刷走輕微的積碳，防止積碳將襯環和刮片環粘接卡死，造成彈力消失，進一步降低油耗。

不粘油涂層的主要成分為二硫化鉬和聚四氟乙烯。二硫化鉬的分子結構為層狀格子型構造，每層由鉬原子同兩側的兩個硫原子結合而成[2]。鉬同硫的結合力非常強，而相反硫磺與硫磺間的結合力很微弱，因此層與層間容易斷裂并產生滑移，故可以充分發揮出潤滑以減小摩擦。聚四氟乙烯的摩擦系數極低，僅有0.03～0.04，非粘著性能極為出色，同時具備較好的耐熱和耐腐蝕性能。本文所述的不粘油涂層的厚度在5～15 μm范圍內，涂層與活塞環基體的結合性能良好，不易發生脫落。

2 性能測試

為檢驗不粘油涂層的使用效果，對其進行性能測試。將同一型號涂有不粘油涂層的襯環1和普通襯環2裝置在同一轉盤上進行甩油試驗(圖1)。首先將兩環在機油中浸沒60 s，再將環裝置在直徑為1.5 m的轉盤上，轉盤以60 r/min的速度旋轉120圈。共進行兩輪試驗，每輪試驗進行3次，記錄環表面附著機油的質量。

圖1 甩盤試驗示意圖

如圖2所示，第一輪試驗結束后，環1表面附著的機油減少了0.09 g，附著油改善率為24.3%，第二輪試驗后，環1表面附著油下降0.08 g，改善率22.6%。

隨后對環進行接觸角對比測試，如圖3所示，接觸角越大則不粘性越好。結果顯示，添加了不粘油涂層的襯環接觸角大于100°，表明潤滑油滴到襯環表面仍呈現珠狀，沒有輕易被襯環表面吸附。而普通襯環接觸角為76°，這說明潤滑油滴到襯環表面以后快速攤開，吸附到了環的表面。

圖2 試驗后襯環表面附著機油質量對比圖

圖3 油滴在襯環表面狀態

最后對活塞環進行200 h的發動機全速全負荷臺架試驗，結果如圖4所示。

圖4 平均機油消耗對比圖

由圖4可知，相比于普通活塞環，安裝了不粘油活塞環的發動機機油消耗量降低了15.2%。從圖5的對比可以發現，使用了不粘油涂層的活塞環后，活塞環的環槽處依然較為光亮，表明此處積碳少，而使用普通油環的活塞環環槽處顏色發黑，說明此處積碳較多。分別對兩種活塞環的刮片環和襯環的表面狀態進行對比，如圖6所示。可以認為，帶有不粘油涂層的刮片環和襯環使用后的表面積碳明顯少于不帶涂層的油環。

圖5 臺架試驗后活塞表面狀態對比圖

圖6 臺架試驗后活塞環表面狀態對比圖

3 結論

本文設計制備了一種新型的三組合不粘油活塞環，并通過甩油試驗、接觸角試驗、臺架試驗來測試其性能。根據試驗數據可以認為，與市場現有的產品相比，不粘油涂層所具有的不粘油性能，能使機油更容易在涂層的表面流動，不易形成附著，有效解決了現有的三組合油環表面易形成積碳而造成的發動機機油消耗高的問題，具有較高的市場推廣價值。