Internal Combustion Engine &Parts
0引言
活塞环在高温、高压、高速及润滑恶劣的条件下担负着密封、传热的作用，其恶劣的工作条件及复杂的运动状态使得活塞环表面摩擦、磨损加剧，摩擦损失巨大，其与缸套之间的摩擦损失在内燃机总摩擦损失中占比超过50%，因此，改善活塞环摩擦性能对减少内燃机的摩擦损失有着十分重要的意义。 垂直母排
目前，改善活塞环抗摩擦磨损性能的措施主要有活塞环表面改性技术、活塞环表面织构技术、纳米润滑添加剂技术等。其中，PED 技术工艺简单、生产效率高、污染小、基体材料受热少，利用该技术得到的表面改性层具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击等优异性能，陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀的优良特性，因此，利用PED 技术制备活塞环表面陶瓷涂层，可使活塞环抗摩擦磨损能力大大增强，进而提高内燃机的燃油效率。 1活塞环抗摩擦磨损的方法1.1表面改性技术
活塞环的表面改性技术，主要包括一些表面防护和强化技术，按表面强化层获得的途径和方法，可将表面改性技术分为表面镀铬、表面氮化处理、表面喷钼、气相沉积技术以及等离子体液相电解沉积技术。
活塞环外圆表面镀铬、表面氮化处理均可降低表面摩擦系数，改善活塞环外表面的磨损情况，延长活塞
环的使用寿命。但由于镀铬层的脆性大，结合强度不够，容易脱落，另外镀铬工艺过程还会产生有害物质污染环境，故这一技术的发展受到了很大的限制。氮化技术虽存在很多优势，操作也简单，但难以满足大功率的发动机的要求。
实验证明，喷钼活塞环具有良好的抗磨粒磨损性能，在持续摩擦过程中，活塞环表面喷钼层在磨粒作用下脱落，脱落物质在高温高压下与润滑油等物质发生反应生成钼化合物，进一步起到保护和减磨作用，但如果没有足够的润滑油或者油变质，摩擦损失将大幅度提升。利用等离子体气相沉积（PCVD ）技术制备的复合陶瓷涂层表面可形成具有自润滑性能的晶体结构，有效降低活塞环的摩擦磨损。但其缺陷是其设备和条件过于复杂苛刻，需要高温和高真空条件。
PED 技术制备的膜层硬度大、与基体结合紧密、具有优良的抗磨性能，另外PED 技术所需的设备简单，操作方便，并且对基体材料的适应性广，生产中不需气氛保护和真空条件，因此，该技术被广泛应用在金属表面改性和膜层制备中，具有广阔的应用前景。
1.2表面织构技术
表面织构因其具有储存润滑油、增加润滑膜承载能力、改善润滑效果、储存磨粒等优点，在抗摩减磨的研究中得到了广泛关注。表面织构可以有效地储存活塞环-缸套摩擦副之间的固体润滑剂和磨粒，并在接触表面形成连续润滑膜，减少磨粒磨损。
但表面织构不是在所有工况下都可以起到减摩的作用，其只有在合适的工况下才能发挥表面织构的作用。另外在内燃机长时间工作后，产生的磨屑可能会将表面织构堵塞或者将织构磨平，而达不到表面织构技术应有的效果。
1.3润滑油及纳米添加剂近年来，纳米材料因其独特的量子尺寸效应，发展迅速，向润滑油中添加纳米材料可以有效降低活塞环的磨损率。侯献军等通过向润滑油中添加Al 2O 3/TiO 2纳米添加剂，有效降低了活塞环-缸套摩擦副之间的摩擦因数，活塞环的磨损率明显下降；郑伟等通过采用SiO 2颗粒作为基础油的添加剂，提高了活塞环的抗磨能力，降低了摩擦副处于流体动力润滑时的摩擦系数。可见，向润滑油中加入纳
米添加剂可有效改善活塞环的抗磨减摩能力，提高内燃机
地沟油提炼生物柴油
的燃油效率。
2阳极PED 技术的应用2.1PED 技术概念等离子体电解沉积技术是在阳极氧化的基础上发展起来的一种在金属或合金表面生长陶瓷膜的新技术。处理——————————————————————
—基金项目：本文系江苏大学2019年度大学生科研立项项目，项目
编号：18A224。
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作者简介：徐军委（1997-），河南商丘人，江苏大学，机械设计制造
及其自动化；冯鑫晟（1998-），江苏南通人，江苏大学，
研究方向为机械设计制造及其自动化；朱彪彪
（1997-），河南商丘人，江苏大学，研究方向为机械设
衣帽计制造及其自动化。
阳极PED 技术制备活塞环表面陶瓷涂层的研究
徐军委；冯鑫晟；朱彪彪
（江苏大学，镇江212013）
摘要：在内燃机中，由于摩擦产生的输出功率损失达到20%，可见摩擦磨损是影响内燃机燃油效率的关键因素，其中，活塞环-缸套摩擦副产生的摩擦在内燃机摩擦中占比超过50%，因此，改善活塞环组件的摩擦学性能对提高内燃机性能有着重要的意义。本文
对活塞环表面改性、活塞环表面织构、润滑条件等影响活塞环摩擦学性能的因素进行了阐述，着重对
利用阳极等离子体电解沉积(PED )技术制备活塞环表面涂层的技术研究进行了介绍，并给出一种利用该技术制备陶瓷涂层的方案供参考。
关键词：活塞环；摩擦学性能；表面改性；表面织构；等离子体沉积
过程是将金属或合金置于电解液中，并施加一定的电压，利用电化学方法在电极试样表面产生等离子体微弧放电，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下在金属表面生成陶瓷膜层。
2.2PED 技术发展过程20世纪70年代，Morkov 等人对火花放电条件下的铝阳极沉积氧化物进行研究。在此以后，该技术获得广泛关注；田占军等人在甲酰胺-乙醇胺体系下对低碳钢进行了等离子体电解处理，仅30s 就得到大约30μm 渗透层；燕山大学材料化工学院等单位用低碳钢表面热浸镀Al-Si 合金后进行等离子体沉积的方法获得复合膜层，该膜层具有耐热、耐磨性，提高了钢的耐蚀性，为钢材及等离子体电解沉积技术的应用开拓了广阔的前景；Bogdan.S.Necula 等人在醋酸钙甘油电解液中添加Ag
纳米粒子，利用阳极PED 技术在Ti-6Al-7Nb 合金表面制备了润滑性能好，致密性高的复合涂层；杨文斌等人在硅酸盐电解液中添加Al 纳米粒子，利用阳极PED 技术在低碳钢表面制备优良耐磨性能耐蚀性能的涂层，且涂层具有表面密封孔的特点。
可见，PED 技术作为一种金属表面改性层的处理方法已经被广泛研究，有关PED 技术在金属表面生成涂层的研究，为该技术应用于活塞环表面涂层制备提供了理论支持。
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2.3阳极PED 技术制备活塞环表面陶瓷涂层
本文给出了一种在铝酸钠溶液中添加Al 2O 3纳米粒子，利用阳极PED 技术在活塞环表面制备陶瓷涂层的实验方案，供读者参考。
2.3.1实验装置
实验装置如图1所示，电源类型为直流脉冲，电解液为NaAlO 2+NaH 2PO 4，活塞环作为阳极，不锈钢板为阴极。有电流通过时，活塞环在电解液中产生绝缘钝化膜，当电压升高到一定程度时，绝缘钝化膜将被击穿，工件表面将发生放电现象，放电产生的瞬时高温可使活塞环表面发生化学变化，得到陶瓷膜层。钝化膜被击穿时的放电过程如图2所示。
图1实验装
置示意图
通电后，0~U 1阶段，主要是阳极氧化膜的生成阶段；电压超过U 2，氧化膜开始溶解并逐渐成多孔结构；电压超过U 3，氧化膜被击穿，火花放电；电压至U 4，电极表面出现快速游动的电弧，弧光放电。膜层生长较快，但不能持续稳定的击穿氧化层；电压至U 5，试样表面稳定的电弧放电，电路中的电流相对稳定。
2.3.2实验方案
实验所采用的方法为控制变量法，通过改变电解液中各成分的浓度以及处理时间和电压，来研究电解液中Al 2O 3纳米粒子浓度、NaAlO 2浓度、处理电压、处理时间四个因素对所得到的陶瓷涂层表面性质的影响。改变实验条件，研究经过PED 技术处理后活塞环表面涂层的硬度、结合强度、摩擦学性能和耐腐蚀性能，得到使活塞环抗摩擦磨损性能最佳的实验条件。
3结束语
PED 技术是近些年来发展起来的一种新型陶瓷涂层制备技术，得到了越来越多的关注。目前，国内外研究人员已采用该技术在不同金属表面制备出金属、合金、陶瓷、类金刚石等涂层，有效改善了金属表面的耐摩擦、耐腐蚀性能。利用阳极PED 技术制备活塞环表面陶瓷涂层相较于传统技术工艺有以下优点：
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①陶瓷涂层的成分可通过改变电解液的成分比例来调节。
②基体材料受热较少，且不参与反应，对活塞环基体的物理化学性质影响较小。
③可在复杂工件表面制备涂层，即该技术不受工件形状的限制。
④适用材料较广，理论上可在任意导电材料表面沉积陶瓷涂层。
利用该技术制备陶瓷涂层虽有一些独特的优势，但由于目前有关该技术的理论尚不完善，一定程度上限制了该技术的发展。不过随着阳极PED 技术理论的不断完善，可以预测，其将会被广泛应用在活塞环表面改性上，以获得抗摩擦磨损性能优异的活塞环。
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