CN1156609C - 活塞环的化学表面处理方法 - Google Patents

Abstract

活塞环的化学表面处理方法，用于减小活塞环的表面摩擦力，该方法包括：将活塞环置于一个容器中，倒入机械油至将活塞环淹没，升温至220—250℃，向其中加入(以机械油和全部添加剂的重量为100%)碳金属碳酸盐0.15—0.50%、碱金属亚硝酸盐0.15—0.50%、碱金属氯化物0.10—0.30%、碱金属硝酸盐0.50—1.2%、酸式磷酸锰0.40—1.1%、含铈稀土金属粉末0.30—0.90%，接着在上述温度下保持10—24小时，停止加热以使油浴自然冷却，待油温冷却至50℃后取出活塞。本发明适用于对汽油机、柴油机等各种发动机的活塞环和汽缸的改造，可明显地提高汽缸的工作效率和延长其寿命、并且既节油，又减少排气污染，具有很好的工业前景。

Description

活塞环的化学表面处理方法

技术领域

本发明涉及活塞环的化学表面处理方法，经此处理后的活塞环可以明显地减小活塞环与汽缸壁之间的摩擦力以及活塞环与活塞环槽之间的摩擦力，从而明显地提高汽缸的密封度和延长活塞环、汽缸套和活塞的使用寿命。

背景技术

内燃机的基本结构是活塞式连杆机构，燃料在汽缸内燃烧，产生高温高压气体，从而推动活塞往下运动，活塞通过连杆把力传给曲轴，使曲轴旋转而对外作功。

为使气体不泄漏，在活塞上开有活塞环槽，活塞环槽中有活塞环。该活塞环是一个带有开口间隙的合金铸铁圆形环。活塞环的形成方法例如可以从一根具有预定外径和内径的合金铸铁管子上按一定的厚度切下一个个的圆环，使其截面按要求成型，再在该圆环的任一处切出一个具有预定间隙的开口，再通过热处理来向其赋予弹性，即为活塞环成品。活塞环的冷态开口间隙一般要求设计成气缸直径的0.3-0.5％。由于具有这一开口间隙，从而使活塞环具有沿径向伸缩的弹性。这样，当活塞上下往复运动时，活塞环始终紧贴汽缸壁，从而避免高温高压气体从活塞环与汽缸壁之间通过，起到密封的作用。活塞环有两种，一种是气环，起封气和刮油的作用；另一种是油环，主要起封油和刮油的作用。

现有活塞环的设计存在如下缺陷：

活塞环受热后要伸长，使环在汽缸内的开口间隙缩小，现有的设计理念是要避免活塞环开口间隙在热态时消失，否则活塞环端口互相顶住就会对缸面造成过大的压力，从而造成环与汽缸面的咬合损坏。如下所述，活塞环的冷态开口间隙一般要求为汽缸直径的0.3-0.5％，此间隙造成：1、活塞上行压缩气体时(内燃机的压缩行程)，有一部分气体向下泄漏，减小了汽缸缩压力，从而导致内燃机性能下降；2、燃料燃烧产生高温高压气体，推动活塞向下运动(内燃机的作功行程)，高温高压气体向下泄漏，使汽缸壁面的油膜破坏，容易造成拉缸(活塞或活塞环与汽缸拉毛损坏)；3、向下泄漏的燃烧气体窜入油底壳(内存润滑油)，加速润滑油老化变质，从而加快内燃机运动零件的磨损并使换油期缩短；4、活塞上行时，形成润滑油向上窜入汽缸上部的通道，加大内燃机润滑油消耗，造成尾气中颗粒排放物的增加。

为了提高活塞环的耐磨性和抗咬合性能，现在一般采用活塞环表面磷化或氮化，与汽缸接触部分进行多孔镀铬或喷钼。但这些措施并没有改变活塞环与汽缸相对高速半干滑动摩擦的实质，做不到活塞环在汽缸中无隙或微隙运动，因而始终不能从根本上克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够从根本上克服上述缺陷的活塞环的化学表面处理方法，该处理方法能够明显地减少活塞环与汽缸壁之间的磨擦力以及活塞环与活塞环槽之间的摩擦力。因此可以做到允许活塞环的开口间隙在热态(工作状态)时消失，从而极大地提高了汽缸的密封性，大大地提高了工作效率。并且由于摩擦力的减小，又能明显地延长汽缸的寿命。

本发明人考虑到，现有技术做不到活塞环在汽缸中的无隙运动和活塞环在活塞环槽中的微隙运动的主要原因是活塞环与汽缸壁之间、活塞环与活塞环槽之间的摩擦力不能明显减小的缘故。本发明人根据润滑理论得知，润滑油的润滑机理是在两个相互摩擦的零件表面上形成一层油膜，从而使这两个零件的摩擦由原来的金属表面直接摩擦转变成润滑油膜之间的滑动摩擦。特别是目前在市场上作为商品销售的润滑油，其中含有各种添加剂，其中起润滑作用的添加剂是一种链状的烃类，在其一端具有一个极性基团，该极性基团能够吸附在金属的表面上而让其没有极性基团的尾端向上竖起，因此能在金属的表面上形成一层较厚的油膜，从而保证金属零件表面的润滑作用。然而，即便是这种带有极性基团的润滑成分，它在光滑的金属表面上的吸附也不是很牢固的，因此在两个金属零件相互摩擦时就会导致在金属表面与润滑成分之间的吸附作用被破坏。为了弥补这一缺陷，在现有技术的汽缸产品中，在汽缸壁上珩磨出一些储油网纹，以图不断地向汽缸壁补充润滑油。但是储油网纹不能开得太多和太密，否则就会导致表面的凹凸不平。因此汽缸壁的绝大部分表面以及活塞环的表面都是光滑的，从而不能在汽缸的行程中保证油膜的完整。

根据这一认识，本发明人产生如下构思。也就是说，如果在发生相互摩擦的一对金属零件的至少一方的表面上形成许多均匀密布的肉眼看不到的微观小凹坑，这些小凹坑既能起储存润滑油的作用，又能允许润滑添加剂分子端部的极性基团钻入微观小凹坑中并牢固地吸附着，这样便能保证在汽缸的全部行程中都具有完整的油膜。而且，由于这些小凹坑是十分细小的，它们不会影响金属零件表面整体的平滑性，因此不会影响金属零件的自由滑动。对于作为活塞环材料的合金铸铁来说，只要找到一种相对较弱的并且是微观非均匀性的腐蚀剂，就有可能在合金铸铁的表面上形成这种均匀密布的微小凹坑。另外，本发明人还产生一个如下的构思。也就是说，如果能有一些吸油性强面且坚硬的小颗粒存在于这些小凹坑中，由于这些小颗粒周围都吸附有一层润滑油，因此势必能在上述微观小凹坑中自由滚动，从而能起到一种滚动摩擦的作用，这样就有可能进一步降低两个金属零件之间的摩擦力。据本发明人所知，本发明人的上述两种构思尚未有过报导，因此这是具有新颖性的构思。本发明人根据上述构思进行了大量的试验，终于找到了适合对活塞环的合金铸铁材料进行化学表面微凹坑腐蚀处理的微观非均匀性的弱腐蚀剂。并且本发明人还发现，含铈的稀土氧化物粒子(一般的混合稀土皆含有铈，其中的铈含量接近50％)，特别是由含铈金属粉末通过爆炸式氧化反应形成的氧化物粒子，具有一种既坚硬又包含许多微孔的结构，因此既能大量地吸油，又能在滚动中不破碎，从而起到一种自由滚动摩擦的作用，这样就在极大程度上减轻了两个金属零件之间的摩擦力。由于上述两个发现，从而完成了本发明。

本发明的技术方案为：

一种活塞环的化学表面处理方法，用于减小活塞环的表面摩擦力，该方法包含下述步骤：将活塞环置于一个容器中，倒入机械油至将活塞环完全淹没，然后在不会导致溅油的条件下逐渐升温至220-250℃(优选230-240℃)，向其中均匀撒入碱金属碳酸盐(优选碳酸钠)、碱金属亚硝酸盐(优选亚硝酸钠)、碱金属氯化物(优选氯化钠)、碱金属硝酸盐(优选硝酸钾)、酸式磷酸锰和含铈稀土金属粉末(优选金属铈粉末)组成的混合物，其中各成分和机械油的加入量应符合下列重量百分比：

成分                                 重量％

碱金属碳酸盐(优选碳酸钠)            0.15-0.50％

碱金属亚硝酸盐(优选亚硝酸钠)        0.15-0.50％

碱金属氯化物(优选氯化钠)            0.10-0.30％

碱金属硝酸盐(优选硝酸钾)            0.50-1.2％

酸式磷酸锰                          0.40-1.1％

含铈稀土金属粉末(优选金属铈粉末)    0.30-0.90％

机械油                              余量

接着在上述温度下保持10-24小时(优选13-16小时)，停止加热以使油浴自然冷却，待油温冷却至50℃以下后取出活塞环，即为成品。

下面详细地解释本发明：

在本发明的方法中，对机械油的种类没有特别限制，只要它在220-250℃的温度下不明显挥发即可。对升温速度没有特别限制，只是不能升温太快，以免由于机械油中的水分或杂质的挥发而造成溅油。如果发现机械油减少，应及时补充至原来的刻度，以保证机械油能将工件全部淹没并保持机械油与各成分的比例。由此可以看出，升温时间随油浴量的增加而延长，所以不能具体限定升温时间。

碱金属碳酸盐(例如碳酸钠或钾)、碱金属亚硝酸盐(例如亚硝酸钠或钾)、碱金属氯化物(例如氯化钠或钾)、碱金属硝酸盐(例如硝酸钾或钠)都是具有弱腐蚀性的物质。但它们的分子是强极性的，而机械油的分子是非极性的，所以这些添加剂不能溶解于机械油中，不过它们能以一种细分散的状态均匀地悬浮于机械油浴中，于是形成了一种微观非均匀性的弱腐蚀剂。这就是本发明人之所以选择机械油而不是选择水性介质作为微凹坑腐蚀载体介质的主要理由。由于这些弱腐蚀剂的协同作用而在活塞环的合金铸铁表面上形成许多均匀密布的微观小凹坑。但是如果它们在机械油中的比例过小，就可能达不能微凹坑腐蚀的最低要求。相反，如果它们在机械油中的比例过大，就可能形成过大的小凹坑，从而可能影响活塞环表面的整体平滑性。

另外，酸式磷酸锰是一种磷化剂，它能对活塞环的合金铸铁表面起一种磷化作用，生成一种磷化物保护膜，从而提高合金铸铁表面的耐磨性。另一方面，酸式磷酸锰在热的油浴中会有部分分解而生成二氧化锰。这种二氧化锰能够较牢固地吸附在合金铸铁的表面上，并且二氧化锰能够吸附大量的润滑油，因此能够在活塞环的表面上形成更厚的润滑油膜。酸式磷酸锰的用量如果不足0.40重量％，则可能达不到起码的磷化效果。相反，如果其用量超过1.1重量％，则会由于在反应时生成的二氧化锰过多而影响对活塞环表面的微凹坑腐蚀反应，因此将酸式磷酸锰的含量限定为0.40-1.1重量％。

另外，稀土金属都是活泼的金属，它们容易与空气中的氧发生反应而变成稀土氧化物。其中，二氧化铈是一种坚硬的颗粒状物，它可以作为抛光磨料使用。而由金属铈粉末通过爆炸式氧化反应形成的二氧化铈具有一种多孔而坚硬的结构，所以它能吸附大量的润滑油并陷在活塞环表面的微观凹坑中自由滚动。而通过在水溶液中沉淀而生的二氧化铈则不能具有这种多孔的结构。这就是本发明人之所以选择含铈稀土金属(优选铈金属)而不直接选择二氧化铈作为反应添加物的主要理由。本发明人将经过本方法处理的活塞环切片置于500倍的显微镜下观察，可以看到在活塞环表面上有一层厚约0.01mm的附着物。并且在2000倍的电子显微镜下能观察到有些附着物能以球状的形态滚动。而从上述几种添加成分的化学性质判断，这些滚动的球状颗粒只能是含铈的稀土氧化物(尤其是二氧化铈)。由于这些含铈稀土氧化物颗粒在活塞环表面微观凹坑中的自由滚动，因此使活塞环在汽缸内的往复运动摩擦的实质由现有技术中的滑动摩擦模式转变成本发明的滚动摩擦模式，从而在极大程度上减小了金属表面之间的摩擦力。由于同样的道理，活塞环在活塞环槽中的摩擦力也会有同样程度的减小。

当然，如果对活塞也进行类似的微凹坑腐蚀处理，还可以降低活塞(尤其是活塞裙部)与汽缸壁之间的摩擦力和进一步降低活塞环与活塞环槽之间的摩擦力。但由于活塞的材质是合金铝而不是合金铸铁，所以它的微凹坑腐蚀处理配方不同于本发明的配方，故不属于本发明的范畴。本发明人将以另一个发明提出专利申请。

另外，操作温度如果低于220℃，则会导致微凹坑腐蚀的速度太慢，对生产率不利。相反，如果高于250℃，则会导致微凹坑腐蚀的速度过快，容易造成凹坑过大甚至可能影响金属表面的整体平滑性。并且当温度超过250℃时有可能导致机械油的部分炭化，从而影响微凹坑腐蚀的均匀性。因此将微凹坑腐蚀的操作温度限定为220℃-250℃，优选230℃-240℃。

另外，操作温度的保持时间如果少于10小时，则微观凹坑的形成不够充分。相反，如果多于24小时，则微观凹坑的形成可能过度。因此将操作温度的保持时间限定为10-24小时，优选13-16小时。

与本领域的同类现有技术相比，本发明的方法可以获得如下的有益效果：

一、在汽缸总体设计方面的效果

1、可以缩小活塞环的开口间隙，此间隙可降低至汽缸直径的0.10-0.25％，比常规设计小一半以上，在汽缸运转而使活塞环受热伸长后，此间隙消失，并且由于活塞环与汽缸壁的摩擦模式由常规的滑动摩擦模式转变成本发明的滚动摩擦模式，因此即便在活塞环的开口间隙消失时也不会造成拉缸，从而能大大提高密封度和汽缸的工作效率；

2、可使用无网纹或浅网纹汽缸，从而可以降低汽缸的生产成本。

二、应用于内燃机时的有益效果

1、汽缸压缩力提高，缩短了柴油机的着火落后期，改善了柴油机的动力性和经济性；

2、润滑油消耗减小，降低了内燃机尾气中的颗粒排放物；

3、汽缸整体寿命提高1-2倍；

4、冷起动性能改善；

5、怠速稳定性提高；

6、运转噪音降低；

7、不存在缸面油膜破坏现象，明显减少拉缸倾向；

8、润滑油不易老化，换油期延长一倍以上。

三、应用于活塞式空压机时的有益效果

1、吸气直空度加大，汽缸密封性加强，打气快；

2、压缩气体中含油量少；

3、汽缸、活塞的寿命延长1-2倍。

具体实施方式

下面通过具体实施例和应用例来具体地解释本发明，但本发明不受这些实例的限定。

将30个汽油机的活塞环放入一个金属容器中，向其中倒入32号机械油4830g，这时机械油淹没了全部活塞环。在不导致溅油的条件下用用电加热逐渐升温至235℃，用小勺子分几次于约15分钟内撒入由碳酸钠15g、亚硝酸钠15g、氯化钠10g、硝酸钾40g、酸式磷酸锰35g、金属铈粉末30g组成的混合物，这时各种成分在全部固体添加剂与机械油混合物中所占的重量百分比例分别为：碳酸钠0.30％、亚硝酸钠0.30％、氯化钠0.20％、硝酸钾0.80％、酸式磷酸盐0.70％、金属铈粉末0.60％、润滑油约97.1％。当添加剂加完后，在约235℃下保温14小时，然后断电以使其自然冷却，待油浴温度降低至40℃时将活塞环取出，作为成品待用。

实施例2

本实施例和各种工艺条件基本上与实施例1相同，所不同之处只是用含铈的混合稀土金属粉末(其中铈含量约50重量％)代替实施例1中的金属铈粉末。

实施例3

本实施例的各种工艺条件基本上与实施例1相同，所不同之处只是将处理对象由原来的汽油机活塞环改变为柴油机活塞环。

实施例4

本实施例的各种工艺条件基本上与实施例1相同，所不同之处只是将处理对象由原来的汽油机活塞环改变为空压机活塞环。

实施例5

本实施例的各种工艺条件基本上与实施例2相同，所不同之处只是将处理对象由原来的汽油机活塞环改变为柴油机活塞环。

实施例6

本实施例的各种工艺条件基本上与实施例2相同，所不同之处只是将处理对象由原来的汽油机活塞环改变为空压机活塞环。

下面通过应用例来说明本发明方法的有益效果；

应用例1  单独处理汽油机活塞环时的效果

把在实施例1中获得的经处理的汽油机活塞环应用于一汽发动机厂出产的CA6102汽油机中以对公交车的汽油发动机进行改造。该汽油机的原设计为：缸径×行程＝101.6mm×114.3mm。活塞环开口间隙设计：第一道气环0.5-0.7mm，第二道气环0.4-0.6mm，第三道气环0.4-0.6mm，第四道油环0.3-0.5mm；配缸间隙0.02-0.06mm。改造后第一道环开口间隙0.12mm，第二和第三道环为0.10mm，第四道环为0.06mm。试验证明，发动机吸气真空度明显加大，车辆动力和经济性明显改善。

应用例2单独处理柴油机活塞环时的效果

把在实施例3中获得的经处理的柴油机活塞应用于上海柴油机厂出产的D6114柴油机中以对公交车的柴油发动机进行改造。该柴油机的原设计为：缸径×行程＝114mm×135mm。活塞环开口间隙设计：第一道气环0.4-0.6mm，第二道气环0.4-0.6mm，第三道油环0.3-0.5mm；配缸间隙0.17-0.23mm。改造后第一道环开口0.15mm，第二道环0.19mm，第三道环0.07mm。经2.5万公里行驶，该辆公交车动力性能良好，燃油消耗较改造前同期平均下降8.0％。润滑油消耗明显减少，换油期延长约1倍，自由加速烟度小于2度(国家标准为5度)，气缸压缩力提高约20％。拆机检查结果极为良好，汽缸套几乎无磨损，活塞环磨损量很小，又装回重新使用。

应用例3同时处理汽油机活塞环和活塞时的效果

把在实施例1中获得的经处理的汽油机活塞环与按照类似的微凹坑腐蚀处理方法获得的活塞配合应用于一汽发动机厂出产的CA6102汽油机中以对公交车的汽油发动机进行改造。所获结果比应用例1的结果还要好。例如，在改造后，第一道环的开口间隙可降至0.10mm，第四道环的开口间隙可降至0.05mm。这两个开口间隙不但要比改造前的开口间隙小得多(只相当于原开口间隙的10％-20％)。而且也明显地小于单用本发明的活塞环与常规活塞配合时所能达到的最小间隙。原机镗缸镶缸套珩磨，使配缸间隙达到-0.02mm(过盈，即活塞裙部尺寸比气缸内径大)-0(无隙).在进行公交车行驶试验时，所有结果比应用例1的结果还要好。

应用例4同时处理柴油机活塞环和活塞时的效果

把在实施例3中获得的经处理的柴油机活塞环与按照类似的微凹坑腐蚀处理方法获得的活塞配合应用于上海柴油机厂出产的D6114柴油机中以对公交车的柴油发动机进行改造。所获结果比应用例2的结果还要好。例如，在改造后，第二道环的开口间隙可降低至0.18mm。如采用浅网纹小直径缸套，可使其配缸间隙降到0.07mm。这两个间隙不但要比改造前的开口间隙小得多，而且也明显地小于单用本发明的活塞环与常规活塞配合时所能达到的最小间隙。在进行公交车行驶试验时，所有结果比应用例2的结果还要好。

应用例5含铈稀土金属与金属铈的效果比较

使用实施例2获得的经处理的汽油机活塞环，其结果与应用例1的结果差不多。

应用例6含铈稀土金属与金属铈的效果比较

使用实施例5获得的经处理的柴油机活塞环，其结果与应用例2的结果差不多。

由应用例5和应用例6的结果可以看出，使用含铈混合稀土金属(其中含铈约50％)来进行微凹坑腐蚀处理所获得的效果与使用金属铈获得的效果差别不大，但仍以通过金属铈粉末处理获得的结果较好一些。

由以上的实施例和应用例可以看出，本发明适用于对包括汽油机、柴油机等各种发动机和空压机在内的各种汽缸活塞环的改造，可明显地提高活塞和汽缸的工作效率和延长活塞环和整个汽缸的寿命。并且既节约燃料用油和润滑油，又能减少汽车或空压机类排气的污染。因此在工业上具有很好的前景。

Claims (8)

1、一种活塞环的化学表面处理方法，其特征在于该方法包含下述步骤：将活塞环置于一个容器中，倒入机械油至将活塞环完全淹没，然后在不会导致溅油的条件下逐渐升温至220-250℃，向其中均匀撒入由碱金属碳酸盐、碱金属亚硝酸盐、碱金属氯化物、碱金属硝酸盐、酸式磷酸锰和含铈稀土金属粉末组成的混合物，其中各成分和机械油的加入量应符合下列重量百分比：

成分                 重量％

碱金属碳酸盐       0.15-0.50％

碱金属亚硝酸盐     0.15-0.50％

碱金属氯化物       0.10-0.30％

碱金属硝酸盐       0.50-12％

酸式磷酸锰         0.40-1.1％

含铈稀土金属粉末   0.30-0.90％

机械油             余量

接着在上述操作温度下保持10-24小时，停止加热以使油浴自然冷却，待油温冷却至50℃以下后取出活塞环，即为成品。

2、如权利要求1所述的活塞环的化学表面处理方法，其特征在于：其中所说的含铈稀土金属粉末是金属铈的粉末。

3、如权利要求1所述的活塞环的化学表面处理方法，其特征在于：其中所说的碱金属碳酸盐是碳酸钠。

4、如权利要求1所述的活塞环的化学表面处理方法，其特征在于：其中所说的碱金属亚硝酸盐是亚硝酸钠。

5、如权利要求1所述的活塞环的化学表面处理方法，其特征在于：其中所说的碱金属氯化物是氯化钠。

6、如权利要求1所述的活塞环的化学表面处理方法，其特征在于：其中所说的碱金属硝酸盐是硝酸钾。

7、如权利要求1所述的活塞环的化学表面处理方法，其特征在于：其中所说的操作温度为230-240℃。

8、如权利要求1或7所述的活塞环的化学表面处理方法，其特征在于：其中所说的操作温度的保持时间为13-16小时。