1、（）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
2、（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
3、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
4、；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
5、 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
6、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
7、 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
8、 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
9、 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
10、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
11、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
12、 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
13、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；
14、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
15、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
16、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
17、 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
18、 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
19、 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
20、，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
21、 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
22、 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
23、 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
24、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
25、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
26、 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
27、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
28、 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
29、 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
30、 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
31、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
32、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
33、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
34、 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
35、 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
36、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
37、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
38、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
39、。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
40、、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
41、 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，
42、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、（）
43、。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
44、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
45、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
46、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
47、。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
48、 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
49、，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
50、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 表 面 技 术，（）：，：，（）：，-，：，-，：，：，-，-，：，（）：，-，：，-，（）：，：，-，（）：，-，：薛茂权，黄 之 德，倪 贵 华，等 活 塞 环 表 面 处 理 及 摩 擦学性 能研 究 进 展 电 镀 与 涂 饰，（）：朱宗宁 活塞 环表面 液 相 等离子 体 电 解 渗 氮 及 改 性 层性
