内燃机活塞环磷化液的研制和应用

摘要: 阐述了活塞环磷化膜的特点，为改善高温磷化加铬酸钝化工艺所存在的膜层耐磨减摩性能差的缺点，研制出一种维护简单、寿命长的中温锌锰系活塞环磷化液和磷化工艺，通过对比试验，分析了所得磷化膜的成分及表面形貌，膜层均匀、致密，耐蚀、耐磨、减摩性能好。该工艺已应用于实际生产。
关键词 活塞环; 磷化; 耐磨性; 减摩性
1　前言
活塞环的磷化处理是活塞环的最终表面处理工艺，其质量好坏直接影响到产品的外观及性能。目前国内不少生产厂家对活塞环磷化质量的要求只限于磷化膜的防锈性能和外观，对磷化膜的摩擦学性能，磷化液的节能、环保问题重视不够，不少厂家仍在沿用传统的高温磷化加铬酸钝化工艺。这种工艺所得到的磷化膜膜质疏松、磷化液寿命短、能耗大、污染严重。
近20年来，钢铁件磷化技术的开发与研究取得了很大的进展。但主要是针对涂装前的磷化处理，对功能性磷化工艺研究较少，而针对活塞环这种特殊零件的磷化工艺的研究则更少。随着科学技术的发展，对内燃机性能的要求越来越高，相应对活塞环的表面处理有了更高的要求。因此研究和开发适用于活塞环的磷化工艺是十分必要的。
2　活塞环磷化膜的特点
活塞环磷化膜与用于涂装前处理的磷化膜不同，活塞环磷化膜应满足如下要求:
①具有良好的耐蚀性。由于活塞环经磷化处理后不再进行防锈处理(如浸防锈油等)，而一般库存时间至少在半年以上，因此要求磷化膜具有良好的耐蚀性能。
②晶粒要细、致密，色泽要均匀。活塞环磷化处理是其最终的表面处理工艺，因此磷化膜的品粒度、致密性和色泽直接影响活塞环的外观质量。目前活塞环磷化都采用黑色磷化，能较好地解决色泽均匀问题。
③磷化膜厚度能控制。活塞环是一个有尺寸精度要求的零件，环片双面膜厚一般不超过6μm。许多厂家要求在磷化时间控制不很严格的情况下，膜厚不能超差。
④具有减摩和抗擦伤性能。活塞环外环面与缸套之间为滑动摩擦，端面与活塞之间既有冲击又有滑动摩擦，在活塞环磨合期间磷化膜应该起到减摩和抗擦伤作用，这一点并没引起大多数活塞环生产厂家重视。
2　实验
2. 1 磷化液的主要成分和工艺条件
根据活塞环磷化膜的特殊要求，作者研制的磷化工艺如下:

有机酸 微量
促进剂 8～10ml/L
总酸度 40～50点
游离酸度 3～5点
磷化温度 55～65℃
磷化时间 5～8min
2. 2 工艺流程
除油一温水清洗一冷水清洗—酸洗一清水冲洗一钛款表面调整—磷化一清水冲洗(有条件的应该用去离子水冲洗)一烘干(180℃左右)。
3　结果与讨论
3. 1 膜厚与磷化时间的关系
采用上述磷化工艺，测量了活塞环膜厚与磷化时间的关系，其结果如图1所示。

从图1可以看出，当磷化时间超过5 min后，磷化膜厚度增长缓慢，因此采用该工艺能满足磷化膜厚度控制的要求。
3. 2 磷化膜成分分析
利用AMARY 1380I扫描电镜对两种活塞环材料的磷化膜成分进行了能谱分析，结果如表1所小:

由表2可见，磷化膜的主要成分是P、Zn 、Fe、Mn，这与文献的分析结果是一致的。由于磷化膜中含有Mn元素，因而磷化膜的防锈性能和耐磨减)举吐能得到了改善。Ca在磷化膜中含量很低，这说明Ca并没有直接转化成磷化膜，但是 的加入能加快磷化速度、减少磷化沉渣及改善磷化膜的性能。
3. 3 磷化膜的表面形貌
利用AMARY 1380 I扫描电镜观察了3种磷化膜表面形貌(见图2、3)。图2(a)为铸铁环、图2(b)为钢带环在本工艺下所得到的磷化膜，图2(b)中的条纹方向为环的周向方向，环面上的条纹可能是由于钢带环的轧制和卷绕成型工艺不当所至。图3为某厂高温磷化工艺得到的磷化膜。比较这组SEM照片，可以看到，采用本文介绍的磷化工艺所得到的磷化膜与原工艺相比，膜层品粒更细，致密性更好。有利于提高磷化膜的耐蚀性和耐磨性。


4　应用
该磷化液及相应的磷化工艺在湖北某活塞环厂应用近两年。使用情况表明:该工艺具有如下特点:
①槽液配制简单: 将浓缩磷化液按1: 10稀释至所需体积，再按1: 100加入促进剂。然后将槽液的总酸度和游离酸度调整到工艺要求的范围。
②维护方便: 定时分析槽液的总酸度和游离酸度是否在工艺范围内，然后根据需要补充浓缩磷化液。
③磷化液使用寿命长: 通常情况下，该磷化液的使用寿命在一年以上。
④磷化膜性能良好: 该工艺适用于铸铁环及钢带环的磷化，所得磷化膜为深黑色，结品细致、均匀，耐蚀性符合国家有关标准，耐磨及减性优于该厂原工艺处理的磷化膜。
5　结论
该磷化工艺是针对活塞环这一特殊零件研制的，能同时磷化铸铁环和钢带环。磷化槽液配制简单、使用寿命长、维护方便，磷化膜呈黑色，结品细致、均匀、致密性好。由于锰离了的加入，磷化膜的耐蚀性，结合力以及耐磨减摩性能有较大的改善。