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| 低温等离子渗硫技术在内燃机车上的应用研究 | |
| 北京金东方科技发展有限公司 | |
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本文介绍了内燃机车柴油机缸套与活塞环在运用过程中由于工作条件恶劣，屡屡发生过量磨损，导致机车柴油机丧失气密性、拉缸、燃油机油消耗大量增加、机械输出功率下降等情况。研究工作从改善缸套与活塞环的摩擦学条件入手，通过对缸套、活塞环表面进行先进的表面处理工艺——低温等离子渗硫处理，从而使缸套与活塞环之间摩擦系数大幅降低，有效降低磨损并延长了使用寿命，同时渗硫处理后在缸套与活塞环表面形成的多孔渗硫层还可贮存润滑油、更易形成油膜，有效地防止缸套与活塞环之间的拉缸及咬合。目前，渗硫缸套与活塞环已投入运用，并初见成效。
一、前言
随着提速列车的诞生及铁路的运能提高，内燃机车柴油机负荷也相应提高，故缸套与活塞环组的负荷也随之增加。当运用十余万公里时机车柴油机气缸套与活塞环即出现过量磨损现象，气缸套与活塞环的严重磨损又加大了活塞环在往复运动中对活塞的环槽上下面的冲击磨损，加大了侧隙，同时使活塞环折断，造成了柴油机突然出现漏气、曲轴箱压力增高、润滑油耗量增加、转速不稳定等现象。同时由于机油的不正常消耗，又造成了大量的积碳，进一步加速气缸套与活塞环之间的磨损，并可同时造成排气通路堵塞和造成增压器中的故障越来越多，陷入恶性循环。这些问题导致柴油机燃烧明显恶化，严重影响了柴油机的正常工作和使用寿命。
山海关机务段共配属东风11型机车47台，其中东风4D型机车14台，担当山—沈阳、山—大连、山—通辽间提速客车的牵引工作，通过几年来的运用实践表明，缸套活塞环过量磨损、活塞环断裂、缸套拉伤等是该型机车惯性故障。据统计，自99年以来，由于环断、缸套拉伤，造成拔缸换环多达196次，严重影响了运输生产，造成巨大的人、物、财力损失。
因此，解决缸套与活塞环之间的匹配、降低缸套与活塞环之间过量磨损的工作已迫在眉睫。为此，沈阳铁路分局丹东实业发展总公司、山海关机务段、北京金东方科技发展有限公司等单位共同合作，在沈阳铁路局机务处、外经处、总工室等单位的支持下开展了为时近三年的研究工作。
二、缸套、活塞环损坏机理
随着铁路提速对内燃机车柴油机要求的提高，缸套与活塞环间的摩擦条件更加苛刻。在正常运转条件下，柴油机的转速和负荷对磨损影响较大，缸套工作表面及活塞环的滑动表面和上、下端面的磨损，都随转速和负荷的增加而大大增大。这是由于当转速增加时，单位时间内磨滑距离与转速成比例增加，而且由于缸套工作表面及活塞环的滑动表面的油温上升，粘度下降，油膜厚度变薄甚至会在缸套“上死点”附近难以建立并保持油膜的结果。同时，在高转速下活塞环会“浮起”，使燃气泻漏量急剧增加。这也是活塞环滑动表面磨损增大的一个重要原因。在高负荷时，加在活塞环滑动表面的负荷也增大，加上燃烧生成物增加，从而也使缸套与活塞环的磨损量增大。
另外，由于内燃机车柴油机转速和负荷的不断增加，使缸套和活塞环的滑动速度、承压、工作温度大大提高，从而使缸套与活塞之间油膜太薄或难以建立油膜时（尤其在缸套“上死点”附近），摩擦副两滑动表面易发生直接的金属接触，在高压和快速滑动作用下，摩擦副间的微凸体强力碰撞时将迅速产生疲劳断裂，产生很高的摩擦热，以致两者接触处发生显微熔接。即使经表面硬化处理的缸套壁也不能幸免，因为硬度高达HV1000以上的硬磨粒对缸套表面的划伤更为剧烈。我们称这种来自摩擦副内部，由微凸体断裂形成的磨粒为“内源磨粒”。内源磨粒在摩擦副高速运动中对缸壁造成划伤，俗称“拉毛”，同时产生大量的摩擦热，使金属表面软化。在正压力作用下，摩擦副就会发生大面积粘连，属于严重的粘着磨损，导致成片地撕下缸套内壁的金属，并粘附到活塞环表面。这时，柴油机耗油量突增，气缸发生窜气，排气温度上升，发动机声音沉闷，这就是“拉缸”。拉缸的进一步发展，就是“咬死”，这种事故一旦发生，缸套和活塞环就要报废。因此，“拉缸”是柴油机的主要故障之一。
现在采用的阶段磨合方式，不但耗能、费时费力，而且不能完全解决拉缸。解决拉缸也是当前国内研究的重要课题。我们认为改善柴油机自润滑条件，消除微凸体断裂形成的“内源磨粒”，就可能缓解拉缸现象。根据“以柔克刚”的构想，在缸套与活塞环表面采用低温等离子渗硫工艺，利用渗硫层的一些特性，不仅可以达到降低缸套与活塞环之间磨损，延长使用寿命的目的，并能达到缓解柴油机拉缸的效果。
三、项目技术依托单位介绍
北京金东方科技发展有限公司是北京清华工业开发研究院下属的一家集技、工、贸为一体的高新技术企业，注册于中关村科技园区，注册资金2360万元，目前在全国各地已建立或参股多家公司，现已进入集团化发展时期。
公司拥有较强的自主技术研发能力，本项目技术——“低温等离子渗硫技术”已被北京市科委认定为高新技术成果，并荣获国家专利（专利号：ZL 97204602.X）。该技术实现了低温下稳定的渗硫工艺过程，处于国内领先水平，现已成功产业化。北京金东方科技发展有限公司已成功利用该项技术为韩国大宇及国内多家著名企业（如上市公司龙溪股份、首钢公司等）进行渗硫技术加工服务。渗硫加工产品遍及冶金、矿山、汽车、纺织、油田等行业的滚动或滑动摩擦磨损工件，包括缸套、轴承、轧辊、齿轮、油泵油嘴、发动机部件、刀具刃具、蜗轮涡杆副等。
四、低温等离子渗硫技术作用机理
摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义，世界能源约有一半是以不同形式消耗在克服机械零件摩擦运动上，而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因（约占80%）。由此可见摩擦学的研究对于国民经济具有重要意义。
对于摩擦磨损问题，可大致分这样几个层次。首先是工件材料与热处理问题；其次是工件表面处理，因为摩擦、磨损与工件表面的性质直接相关；再次是润滑油、添加剂的问题。当然还有工件设计优化的问题。实践表明，合适的表面处理可以使摩擦副之间的摩擦系数降低30%—40%，磨损率减少一个量级，可成倍提高工件使用寿命。
现在中国工业界比较普遍地认为摩擦副表面越硬越好，因此，如渗氮、渗碳、氮化钛涂层、激光表面淬火等，比较容易被人们接受。但事实上，表面硬度过高，反而容易造成摩擦副之间微凸起对摩擦副表面的划伤，造成工件表面易脆裂剥落等负面影响。根据摩擦学理论；摩擦副表面的硬度应该与润滑匹配起作用，缺一不可。
低温等离子渗硫技术就是改善金属表面摩擦特性、增加工件表面润滑的表面处理技术。通过在金属摩擦副表面形成渗硫层，使工件的表面硬度低，而基体硬度高，摩擦情况就好，这是因为硬金属基体起承载作用，其屈服强度越高就越可承受较高的载荷，而剪切发生在软质层内，其摩擦系数一般较小，可充分发挥减摩抗磨作用，并提高机械输出功率、延长使用寿命。
由于该项技术可在低温下等离子体气氛中进行加工处理，具有不改变被处理工件的粗糙度、硬度、几何尺寸及金相结构的特点，经该技术处理后，不仅不影响工件的其它性能指标及安装，同时使工件具备了抗疲劳、降低摩擦磨损的性能和降噪音的效果。
低温等离子渗硫技术的基本原理是：在真空、低温下，由电解产生的硫离子在电场加速作用下轰击被处理工件表面，并与铁离子结合形成硫化亚铁（即渗硫层）。硫化亚铁是密排六方晶体，呈鳞片状，其晶体结构与石墨、二硫化钼相似，为固体润滑剂，其显微硬度为HV40－100，有很低的干摩擦系数。渗硫层与工件基体的结合是以网络渗透方式呈参差不齐的锯齿状结合，它不同与涂镀层在高温及重载时会产生与基体剥落分离的现象，硫化亚铁以渗透方式与基体结合，而且在高温下作用下硫离子还可向基体深处扩散，有较好的结合力。
多孔状渗硫层可存储润滑油，易形成稳定油膜，使其耐压能力提高2－5倍，阻碍摩擦副间的直接接触，在供油不足的情况下也可有效地防止咬合。
在载荷作用下，软质渗硫层发生塑性变形，增加真实的接触面积，降低摩擦系数，有效减少摩擦热的产生，显著改善初期磨合、烧结、剥落等现象。
由于硫化亚铁的剪切强度非常低，因此，有很好的抗咬合能力，而且在咬合发生所造成的局部高温作用下，硫离子可继续向基体内部扩散，继续起到固体润滑剂的作用。
总之，渗硫层的存在，可提高工件承载能力，有良好的降低摩擦系数的特性，并增加了工件可靠性。特别是在缺油、高速度、高载荷、高冲击、高精度等苛刻工况条件下，渗硫的效果更加显著。
低温等离子渗硫技术工艺流程： （图片） | |
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