活塞环表面液相等离子体电解碳硼共渗研究_赵卫东.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：江苏省计划重点研发项目（）作者简介：赵卫东，男，博士，副教授，主要从事等离子体技术及应用、生物质能转化应用方面的研究，-：。本文引用格式：赵卫东，朱昭君，姚江微，等 活塞环表面液相等离子体电解碳硼共渗研究 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，-（），（）：（）活塞环表面液相等离子体电解碳硼共渗研究赵卫东，朱昭君，姚江微，梅德清（江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ）摘要：活塞环表面强化可减少活塞环缸套摩擦磨损，提高机械效率，是商用车低碳化战略实现的重要途径与保障。为提升活塞环性能，尝试采用液相等离子体电解碳硼共渗（）的技术方案，进行了活塞环表面改性的研究，系统探究了操作参数对工件表面形貌、硬度、相组成、截面形貌、元素分布和摩擦学性能的影响规律。研究结果表明，改性层主要由渗硼层和渗碳过渡层组成，渗硼层主要组成相为 ，渗碳过渡层的主要组成相为 ，渗碳处理可有效提升渗硼效率。改性层厚度最大可达 以上，渗硼层硬度最大可达 。经碳硼共渗处理后，工件的摩擦因数、磨损率约为未处理工件的 、，摩擦学性能显著提升。液相等离子体电解碳硼共渗为活塞环性能的提升提供了切实可行的技术途径。关键词：活塞环；液相等离子体；碳硼共渗；摩擦因数；磨损率中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言为应对气候变化，联合国气候变化框架公约（）缔约各国签署了 巴黎协定，以全球协约的方式减排温室气体，并分别提出了各自的“双碳”目标和愿景。交通运输领域占总 排放的 左右，是 排放的重要来源，世界各国也因此出台了愈加严格的排放法规对其进行限制 。在此背景下，乘用车动力加速向电驱动转型，但对于商用车，未来较长一段时间内仍将保持以传统内燃动力为主，多种车用动力并存的局面 。“双碳”目标驱动下，当前内燃动力的研究，主要围绕热效率提高与低碳 零碳燃料替代两大主题。活塞环 缸套摩擦副是内燃机机械摩擦损失的主要来源，对活塞环进行表面强化，减少活塞环缸套摩擦磨损，是提高整机效率的重要途径 。然而甲醇等部分清洁替代燃料因具有腐蚀性，在内燃机工作过程中不可避免地会对活塞环产生侵蚀作用 ，进而影响发动机正常运转和寿命。因此，无论是清洁替代燃料的使用还是提高热效率都和活塞环密切相关，活塞环表面强化，是内燃动力低碳化战略实现的重要保障。传统的活塞环表面处理方法主要有表面镀铬 、表面喷钼 、物理气相沉积 和类金刚石碳基涂层 等。然而镀铬、喷钼能耗比较差，容易污染环境；物理气相沉积成本较高，且镀层厚度受限；类金刚石碳基涂层摩擦磨损性能较弱。因而有必要探索更加高效、节能和环保的内燃机活塞环表面处理工艺。近年来，等离子体电解渗技术（-，）因其高效、节能和环保的特点而受到广泛关注。等 对纯铁进行了 研究，处理即可获得 厚度，最大硬度达到 的渗碳层。朱宗宁等 进行了活塞环表面 处理的探索性研究，获得了最优处理时间为 、渗氮层硬度最大为 、活塞环磨损率降低 的研究结果。上述研究实例充分证明了 应用于活塞环表面处理的技术优势。由材料摩擦学原理可知，当发生磨料磨损时，材料的硬度越高，耐磨性越好 。研究表明 ，钢铁渗硼得到的由 、两相构成的渗硼层硬度可达 ，且具有良好的耐酸碱腐蚀性能。由于渗硼层硬度远大于基体硬度，因而改性层脆性较高，与基体结合力较低，存在改性层易开裂、从基体脱落等缺陷 。然而碳硼共渗，可在渗硼层与基体之间形成渗碳过渡层，从而降低渗硼层与基体之间的硬度梯度，进而有效提升改性层的性能 。等离子体电解碳硼共渗（，）为材料表面摩擦性能的提升提供了新的方法与途径。由于硼原子在钢铁中的固溶度较低，因此渗硼过程比渗碳、渗氮更为困难 ，在渗碳、渗氮处理已能满足大部分应用要求的情况下，很少有研究者对 进行关注，钢铁表面 技术也起步较晚。年，等 最早采用 技术对钢铁进行了表面处理究。直到 年，国内北京师范大学的王彬等 才首次公开报道了对低碳钢表面进行 处理的研究成果。目前有限的 相关研究 ，多为机理性的探讨，主要集中于 改性层的生长特性，重点关注工作电压、处理时间这两个主要操作参数对渗层微观组织及形貌的影响规律。目前，尚未发现 应用于活塞环表面强化的公开报道，更缺乏应用层面工作电压、处理时间、占空比、电源频率等操作参数对改性层宏观使用性能，如摩擦因数、磨损率等的系统性探讨。为进一步提升活塞环综合性能，本课题组尝试将 表面处理技术应用于活塞环，制定了 -的技术方案，以提高硼原子的渗入速度；并对获得的活塞环表面 改性层的表面形貌、相组成、截面微观结构、元素分布及硬度进行分析。在此基础上，重点关注 活塞环的使用性能，系统分析处理电压、处理时间、电源频率和占空比等操作参数对强化活塞环摩擦学性能的影响。期望通过研究，为活塞环表面强化工艺的改进与提高，提供试验及理论参考。试验部分 试验材料及装置试验用活塞环为定型后未经其他处理的钢制活塞环，其外径、内径分别为 、；化学成分为：碳，锰，硅，磷，硫，其余为铁（，质量百分数）；表面硬度约为 。试验前，截取 长度的活塞环并依次用 、目的砂纸进行打磨处理，使用丙酮清洗，烘干后在试件的非处理面进行涂胶处理。图 为液相等离子体电解渗透试验装置示意图。该装置主要包括高频脉冲电源，微弧电解系统和冷却系统。高频脉冲电源型号为 -，由济南能华机电设备有限公司生产，其主要参数为：最大输出电压 ，步进为 ；最大输出电流 ；占空比输出 ；最大输出频率 。蓄水容器；绝热垫；热电偶；不锈钢阳极；电解液；待处理工件；反应容器；冷却液；循环水路；循环水泵；计算机；高频脉冲电源图 液相等离子体电解渗透试验装置示意图工作时，活塞环试样作为阴极与高频电源负极相连，不锈钢棒作为阳极与高频脉冲电源正极相连。装置工作伏安特性调节装置工作电压，获得其伏安特性如图 所示。由图 可见，随着电源工作电压由小变大，装置伏安特性曲线可划分为 个阶段。第一阶段，电压从 。在此阶段，随着电压的不断上升，两极之间的电流密度也不断增大，溶液局部电解产生的气泡附着在两电极的表面，且阴极气泡显著多于阳极，进而在阴极表面形成气膜覆盖，如图 （）所示。第二阶段，电压从 。随着电压的继续增加，电压达到并超过气膜的击穿电压，工件表面出现零星火花，阴极尖端部分产生气膜放电现象，如图 （）所示，靠近阴极气膜的电解液开始发生电离。在此阶段，电流随电压的增加呈骤降趋势，需要提高电压以维持放电状态。第三阶段，电源工作电压大于 。在此阶段，随着电压的升高，装置电流略有增加，此时阴极表面形成稳定的弧光放电，如图 （）所示。电解溶液电离生成的碳离子和硼离子会渗透到基体内部形成渗硼层，工作电压一般维持在 。图 过程中电流 电压变化曲线图 过程中活塞环表面状态变化 电解液体系由于硼在钢铁中固溶度较低，导致硼原子不易扩散进入钢铁晶格点阵中，直接渗硼效率因而较低，工艺难度较大，提高硼原子渗透效率是 获得推广应用的关键。等 在传统气体 固体渗硼的研究中发现，奥氏体层独特的面心立方结构可大幅提高硼原子的渗入效率，预渗碳可将渗硼效率提高 以上 ，通过预渗碳生成奥氏体层是提高渗硼效率的有效手段。常用的碳硼共渗电解液体系由硼砂、甘油、导电盐和去离子水组成，其中硼砂作为渗硼源，甘油作为渗碳源，导电盐用于提高溶液的导电性以便于形成稳定的微弧放电 。渗碳处理时，随着处理电压的提升，工件表面形成稳定弧光放电区，在此区域内甘油发生热分解，反应式如式（）（）所示 ：（）（）（）甘油分解产生的活性 原子与工件表面发生频繁的碰撞反应，碳原子扩散到钢铁基体中，形成一定深度的碳饱和膨胀奥氏体层，为硼原子的渗入创造了条件。微弧 等 离 子 体 放 电 区 域 内，硼 砂 发 生 如式（）（）所示的热分解，生成活性硼原子：（）（）（）（）硼原子通过奥氏体层更加高效地渗入活塞环表面，最终在活塞环表面形成由渗碳过渡层和渗硼层组成的改性层。试验方案碳硼共渗处理前，首先对工件进行预渗碳处理。参考课题组过往研究成果 ，预渗碳处理采用 甘油 氯化氨水溶液组成的电解液；工作参数设置为电源频率 ，占空比 ，工作电压 ，处理时间 。预渗碳处理结束后，采用丙酮对工件清洗并烘干备用。配置 甘油 硼砂 氢氧化钠水溶液为碳硼共渗电解液，将预渗碳处理后的工件置于该电解液中，进行 处理，改变处理赵卫东，等：活塞环表面液相等离子体电解碳硼共渗研究时间、工作电压、占空比等参数，探讨工作参数对活塞环 改性层性能的影响规律。分析测试方法采用 型扫描电子显微镜研究活塞环试样的的表面和截面微观结构，仪器设定倍率为 和 。并用扫描电镜配备的 能谱分析仪对活塞环截面进行线扫描，对试样截面的 、元素分布进行分析。采用 -型 射线衍射仪探究改性层表面相成分。仪器参数设置为扫描速度（），扫描范围 。采用 -型显微硬度计，测量活塞环横截面的显微硬度分布。仪器设定参数为载荷 ，保荷间 。采用 -型球形圆盘摩擦磨损试验机探究活塞环样品在环境温度下的摩擦因数和磨损率。仪器参数设定为载荷 ，转速 ，对象体为直径 的 陶瓷球。改性层物相结构与性能分析 表面微观结构图 （）、（）分别为工作电压 、占空比 、处理时间 、电源频率 条件下及工作电压 、占空比 、处理时间 、电源频率 条件下获得 工件的表面电镜图。图 不同电压下 工件表面形貌在等离子体放电过程中，电流击穿气膜，产生微放电通道，硼、碳原子从微放电通道构成的反应区渗入活塞环表面。微放电通道在反应过程中，对活塞环表面进行蚀刻，从而产生球状的立体结构。弧光放电过程中，高温阴极放电区域和低温电解质区域的相互作用，将使工件淬火，加速球形凹凸结构的形成。活塞环表面微观凹凸不平的形貌有利于润滑油的附着，可进一步提高活塞环的润滑性能 。较高的处理电压促使工件表面形成更深的放电通道；较高的电源频率使得放电通道更加细密，形成的微观凹凸结构也整体偏小，这减小了工件的表面粗糙度。活塞环相组成王彬等 在低碳钢碳硼共渗的研究中发现，处理时间和工作电压是碳硼共渗工艺的主要影响因素。工作电压 、电源频率 、占空比 条件下，改变处理时间分别为 、，获得的工件表面 图谱如图 所示。图 不同处理时间条件下活塞环表面 图谱由图 可见，随着处理时间的延长，工件改性层中 和 相对含量也随之增加，在 处理后有最大的相对含量。工件表面 -相对含量随处理时间延长呈下降趋势，而 -相对含量持续上升。可以推断，随着处理时间的延长，工件表面的 -不断转变为 -，-特有的面心立方体结构易与 原子结合为奥氏体，而奥氏体层的生成和晶格的膨胀，提升了 原子渗入工件的效率，从而使工件中 相对含量不断增加。处理时间 、电源频率 、占空比 条件下，改变工作电压 分 别 为 、，获得的工件表面 图谱对比如图 所示。由图 可见，随着工作电压的增加，工件表层 、-和 -相对含量的变化规律与延长处理时间的结果相似。当处理电压提高到 时，工件表面有 生成，将降低工件表面改性层的质量 ，结合 节的分析可知，较高的工作电压增加了工件的表面粗糙度，不利于活塞环-缸套运动副摩擦性能的提升。因此，处理时间及工作电压等参数对活塞环摩擦磨损性能的影响是多方面综合性的，需要系统性分析。图 不同工作电压条件下活塞环表面 图谱 横截面微观结构及元素分布图 为工作电压 ，占空比 ，电源频率 ，处理时间 条件下，碳硼共渗处理工件的截面电镜图。图 活塞环改性层截面微观结构图 为其对应的 线扫描结果。对比分析图 的工件截面微观结构及图 的截面元素分布规律，可将经 处理后的工件截面，由外向内划分为渗硼层、渗碳过渡层和工件基体。其中区域为渗硼层，主要由 -化合物构成，对比 节中 测试结果，可知此区域主要组成相应为 ，同时包含有少量 -化合物和 固溶体；区域为渗碳层，结合 检测结果可知，该区域主要由 构成；区域为活塞环基体，同时含有少量 -、-化合物。由工件截面元素分布可知，硼原子渗入工件深度可达 以上，距表面 处硼原子分布密度有峰值出现，纵观整个截面，相总是伴随着 相的形成而形成，可以认为预渗碳处理强化了渗碳过渡层的形成，为渗硼过程的进行提供了有利条件。图 、元素沿渗层深度的分布 改性层显微硬度分布由装置伏安特性曲线，结合装置特性试验过程中观察到的电极表面放电状态，可知工作电压在 之间，装置处于稳定放电状态。而工作电压超过 后，工件表面微弧放电过于剧烈，有电解液溅出反应器的现象发生。综合考虑微弧稳定性及操作安全性，改变装置工作电压分别为 、，在处理时间 、电源频率 、占空比 条件下对工件进行处理，获得的工件截面显微硬度分布如图 所示。图 不同处理电压条件下横截面显微硬度分布由图 可见，改性层的最大硬度随着工作电压升高而提高，电压处理下表面硬度约为 。这显著低于硼化物的硬度，因此可以推断在此电压下，未形成以渗硼层与渗碳层为主的改性层，其主要组成部分为渗碳层。工作电压升高到 后，表面硬度已经超过 ，继续升高处理电压，硬度变化不大。处理电压设置在 以上，时间处理后，工件表面已经形成了有效的渗硼层。赵卫东，等：活塞环表面液相等离子体电解碳硼共渗研究工作电压 、电源频率 、占空比 条件下，改变处理时间分别为 、，获得的工件截面显微硬度分布如图 所示。由图 可知，改性层的最大硬度随着处理时间延长而提高，处理时间下获得的改性层硬度偏低，此时改性层中没有形成有效的渗硼层。处理时间 延 长 到 后，表 面 最 大 硬 度 达 到 以上，改性层中形成了显著的渗硼层和渗碳层。处理时间延长到 后，改性层硬度进一步增加，渗硼层和渗碳层的质量也进一步增加。图 不同处理时间条件下横截面显微硬度分布经碳硼共渗后的活塞环硬度可达 ，硬度沿着渗硼层渗碳过渡层活塞环基体依次降低，由于渗硼层硬度较高而活塞环基体硬度较低，单独渗硼将导致改性层脆性较高。而渗碳过渡层改善了硼化物层到基体的硬度梯度，降低了改性层的脆性，弥补了改性层易开裂脱落的缺陷。经过碳硼共渗处理后的活塞环，其显微硬度达到了基体的 倍，理论上将有效强化活塞环的摩擦性能。由图 、所示的工件表面硬度分布可知，有效渗硼层的形成需要一定的阈值电压和时间。在 工作电压、处理时间下，工件表面形成渗硼层的厚度约为 ，整个改性层厚度可达 以上。活塞环摩擦学性能硬度、相组成和表面形貌均为运动副摩擦磨损性能的影响因素。处理时，工作电压和处理时间是渗层深度及表面硬度的主要影响因素。同时，工件表面形貌和相组成除受处理时间、工作电压影响外，还受占空比、电源频率等因素的影响。为了探明各因素对 改性活塞环摩擦学性能的影响，在前述工作的基础上，通过单因素试验，获取工作电压、处理时间、电源占空比和电源频率对 处理工件摩擦因数、磨损率的影响规律。在实验前，首先对未处理工件进行摩擦磨损试验，获取其摩擦学性能作为参照。图 为未经处理活塞环的摩擦因数曲线，其磨损率为 （）。图 未处理活塞环摩擦因数曲线 工作电压对 工件摩擦性能影响处理时间 、电源频率 、占空比 条件下，改变工作电压 分 别 为 、，获得工件截面摩擦因数和磨损率的变化如图 所示。图 工作电压对 活塞环摩擦因数和磨损率的影响由图 可见，不同工作电压处理后获得改性活塞环的摩擦因数分别为 、，对应的磨 损 率 分 别 、（），种处理电压获得的改性活塞环，摩擦学性能均较未处理工件大幅提升。随着处理的电压的升高，摩擦因数也随之增加，磨损率则随着电压的升高先减小后增加。处理电压升高，微弧电流对活塞环表面的侵蚀作用加剧，导致表面粗糙度增加，从而使得活塞环表面摩擦因数增加。较低电压处理后的活塞环则因难以形成有效渗硼层，表面硬度偏低，有较大的磨损率。综合考虑摩擦因数和磨损率，工作电压处理，工件拥有较优的摩擦学性能，其摩擦因数约为未处理时的 ，磨损率约为未处理时的 。处理时间对 工件摩擦性能影响工作电压 、电源频率 、占空比 条件下，改变处理时间分别为 、，获得工件摩擦因数和磨损率的变化如图 所示。图 处理时间对 活塞环摩擦因数和磨损率的影响由图 可见，不同工作电压处理后获得改性活塞环的摩擦因数分别为 、，对应的磨损率分别为 、.（），种处理时间下获得的改性活塞环，摩擦学性能均较未处理工件大幅提升。随着处理时间的延长，摩擦因数和磨损率都随之减小。处理时间较短时，工件表面改性层主要由渗碳层组成，因而活塞环摩擦因数和磨损率相对较高。随着处理时间的延长，改性层中逐渐形成致密渗硼层，摩擦因数和磨损率都得到了显著的改善。综合考虑摩擦因数和磨损率，在维持 工作电压的条件下，处理后工件拥有较优的摩擦学性能，其摩擦因数约为未处理时的 ，磨损率约为未处理时的 。占空比对 工件摩擦性能影响工作电压 、处理时间 、电源频率 条件下，改变电源占空比分别为 、，获得工件截面摩擦因数和磨损率的变化如图 所示。图 占空比对 活塞环摩擦因数和磨损率的影响由图 可见，不同占空比条件下获得活塞环的摩擦因数分别为 、，对应的磨损率分别为 、（）。随着电源占空比提高，摩擦因数也随之增加，磨损率则先减小后增加。电源占空比增加，相同电压条件下电流密度随之增加，加剧了微弧放电对活塞环表面的侵蚀作用，进而导致表面粗造度增加，使得活塞环表面摩擦因数增加。由于起始占空比设置较低，此时渗硼层形成较为缓慢，未能形成致密的渗硼层。当占空比到 后，改性层中逐渐形成致密的渗硼层，摩擦因数和磨损率得到了改善。当占空比提升到 后，放电电流的增加使得工件表面弧光剧烈，微弧刻蚀效应愈加显著，反而无法形成连续、致密的有效渗硼层，导致磨损率增加。电源占空比的增加，与工作电压升高对工件表面形貌的影响类似，因此，在进行 处理时，电源占空比需要控制在一定范围内。电源频率对 工件摩擦性能影响工作电压 、处理时间 、占空比 条件下，改变电源频率分别为 、，获得的工件截面摩擦因数和磨损率的变化如图 所示。由图 可见，不同电源频率处理获得活塞环的摩擦因数分别为 、.、.，对应的磨损率分别为 、（）。随着电源频率的增加，摩擦因数与磨损率相应的降低。电源频率的提高，使得放电微弧的分布更加均匀，单个微赵卫东，等：活塞环表面液相等离子体电解碳硼共渗研究弧通道的电流密度减小 ，可获得表面粗糙度更低的表面改性层，摩擦因数和磨损率也因此降低。综合考虑摩擦因数和磨损率，在维持 工作电压、处理时间和 占空比的条件下，经 处理后获得的工件拥有较优的摩擦学性能，其摩擦因数约为未处理时的 ，磨损率约为未处理时的 。图 频率对 活塞环摩擦因数和磨损率的影响通过单因素试验得到的 摩擦磨损性能表明，改性工件的摩擦因数和磨损率随处理时间的延长、电源频率的增加而减小，随工作电压的增加先减小后增加，在试验参数范围内存在极值。占空比对改性工件摩擦因数和磨损率的影响规律不一致，优化参数的选择需综合考量其对工件摩擦因数、磨损率的影响。依据单因素试验结果，选取工作电压 、处理时间 、占空比 、电源频率 的较优参数组合，进行活塞环 处理，获得改性工件，并测试其摩擦磨损性能。然后将测试结果与未处理工件、参考文献 所述 处理工件的摩擦磨损性能进行对比，结果如表 所示。表 工件摩擦性能对比样品摩擦因数相对磨损率（基准为未处理工件）处理工件 处理工件 未处理工件 由表可见，工件经 表面改性后，其摩擦因数、磨损率分别约为未处理工件的 、，处理工件的 、，充分表明 可大幅提升活塞环的摩擦磨损性能，为活塞环性能的提升提供了切实可行的技术途径。结论）、研究结果表明，改性层主要由渗硼层和渗碳过渡层组成。渗碳处理可使基体表面 -相转变为 -相，进而生成奥氏体层，可有效解决硼原子在钢铁材料中固溶性较低的问题，提高了渗硼效率。渗硼层主要组成相为 ，渗碳过渡层的主要组成相为 。）表面硬度研究表明，经 处理后，改性层硬度最大可达 。工件的显微硬度由表面向基层逐渐降低，渗硼层渗碳层活塞环基体形成了较好的硬度梯度，可有效降低渗硼层的脆性。改性层厚度最大可达 以上。）在 改性处理时，改性工件的摩擦因数、磨损率随处理时间延长、电源频率的增加而减小，随工作电压的升高先减小后增加；随占空比的增加，改性工件的摩擦因数增加，而磨损率先减小后增加。依据单因素试验结果，确定的较优工作参数 组 合 是 工 作 电 压 为 ，处 理 时 间 为 ，占空比为 ，电源频率为 。在此条件下对活塞环进行 处理，工件的摩擦因数、磨损率约为未处理工件的 、，改性工件的 、，摩擦学性能显著提升，表明 可为活塞环性能的提升提供切实可行的技术途径。参考文献：，-，（）：，-，（）：，-，（）：，（）：蔡志海，张平，赵军军，等 活塞环涂层的工艺制备与摩擦学性能研究 核技术，（）：谢运 内燃机活塞环表面处理技术 广州化工，（）：，-，（）：张赵洋，周林，张涛，等 涂层在汽车模具上的应用及结合力改善研究 重庆理工大学学报（自然科学），（）：柏洋，钱涛 涂层在活塞环上的应用现状和未来 汽车工艺师，（）：，（）：朱宗宁，赵鸿岳，梅德清，等 活塞环表面液相等离子体电解渗氮处理工艺 中国表面工程，（）：李颖芝 应用摩擦学原理合理选择金属材料硬度 硅谷，（）：，马朝平，胡建军，刘妤 材料表面渗金属技术的研究进展 重庆理工大学学报（自然科学），（）：王彬，薛文斌，金小越，杜建成 金属表面液相等离子体电解渗硼技术 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