فصلنامه علمی کارافن

فصلنامه علمی کارافن

مطالعه تجربی اثر استفاده از پوشش‌های نیتریدکروم و کربن الماس گون روی خواص سایشی رینگ پیستون موتور احتراقی داخلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان
1 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.
2 دانشجو کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.
3 فارغ‌التحصیل کارشناسی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.
چکیده
ترکیب پوشش مورد استفاده در رینگ پیستون، تأثیر زیادی بر روی اصطکاک و سایش در موتورهای احتراقی دارد. در پژوهش حاضر، رفتار سایشی سه نمونه رینگ پیستون موتور TU3 با پوشش‌های کروم سخت، نیترید کروم و کربن الماس گون مطالعه و مقایسه شد. خواص مختلف پوشش از جمله ترکیب شیمیایی، ریزساختار، ضخامت، زبری و سختی مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آنالیز تفکیک انرژی (EDX) ریزساختار و مکانیزم سایش مطالعه شد. برای بررسی رفتار سایشی رینگ پیستون از دستگاه آزمون سایشی رفت و برگشتی استفاده شد. در پایان تلاش شد تا رابطه بین خواص و رفتار تریبولوژِیکی ایجاد شده در رینگ پیستون مورد بررسی قرار بگیرد. سختی بالا و حضور گرافیت به عنوان روانکار جامد از جمله مهم‌ترین عوامل رفتار سایشی مناسب رینگ پیستون با پوشش کربن شبیه الماس بود. رینگ پیستون با پوشش کروم سخت به علت نداشتن پیچیدگی و سختی بالا دچار مکانیزم سایش چسبنده شده و رفتار سایشی مناسبی از خود نشان نداد. بدترین رفتار سایشی در نمونه‌های رینگ پیستون با پوشش کروم مشاهده شد. چسبندگی کم به زیر لایه، سختی پایین، زبری و ضخامت بالا و تک لایه بودن را از جمله مهم‌ترین عوامل رفتار سایشی نامناسب این نمونه بودند. نتایج همچنین نشان داد که میزان مقاومت به سایش پوشش کربن الماس گون تقریباً چهار برابر پوشش نیترید کروم و شش برابر کروم سخت می‌باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental Investigation on the Effect of Using CrN and DLC Coatings on the Wear Properties of The Internal Combustion Engine Piston Ring

نویسندگان English

ALireza Hajialimohammadi 1
Seyed Mohammad Musavi Rad 2
Hamed Ghare Bagheri 3
1 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
2 Master's Student, Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
3 Undergraduate Student, Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
چکیده English

The composition of the coating used In the piston ring has a great effect on friction and wear in combustion engines. In the present study, the wear behavior of three samples of TU3 engine ring with hard chromium, chromium nitride, and diamond-like carbon coatings were studied and compared. Various coating properties including chemical composition, microstructure, thickness, roughness, and hardness were studied. Also, the microstructure and wear mechanism was studied using a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive analysis (EDX). A reciprocating wear test device was used to check the wear behavior of the piston rings. In the end, an attempt was made to investigate the relationship between properties and tribological behavior created in piston rings. The high hardness and the presence of graphite as a solid lubricant were among the most important factors for the appropriate wear behavior of the piston ring with a diamond-like carbon coating. Due to the lack of complexity and high hardness, the piston ring with hard chromium coating has a sticky wear mechanism and does not show proper wear behavior. The worst wear behavior was observed in the piston ring sample with chromium coating. Low adhesion to the substrate, low hardness, high roughness and thickness, and single layer can be considered as the most important factors of inappropriate wear behavior of this sample. Also, the results showed that the wear resistance of diamond-like carbon coating is almost four times that of chromium nitride coating and six times that of hard chromium.

کلیدواژه‌ها English

Piston Ring
Wear
Wear Test
Diamond-like Carbon
Chromium Nitride
Hard Chromium
[1] Saligheh, A., Hajialimohammadi, A., & Abedini, V. (2020). Cutting Forces and Tool Wear Investigation for Face Milling of Bimetallic Composite Parts Made of Aluminum and Cast Iron Alloys. International Journal of Engineering, 33(6), 1142-1148. https://doi.or g/10.5829/ije.2020.33.06c.12
[2] Akbari, M., Asadi, P., & Asiabaraki, H. R. (2022). Investigation of wear and microstructural properties of A356/TiC composites fabricated by FSP. Surface Review and Letters, 29(10), 1-10. https://doi.org/10.1142/S0218625X2250130X
[3] Rahimi Asiabaraki, H., Akbari, M., & Asadi, P. (2022). Improving the wear and microstructural properties of piston alloys using ZrO2 reinforcing particles. Iranian Journal of Manufacturing Engineering, 9(2), 52-59. https://doi.org/10.22034/ijme.2022.157562
[4] Adamkiewicz, A., & Drzewieniecki, J. (2017). Operational evaluation of piston-rings-cylinder liner assembly wear in high power marine diesel engines. Tribologia, 271(1), 5-15. http s://doi.org/10.5604/01.3001.0010.6357
[5] Delprete, C., & Razavykia, A. (2018). Piston ring–liner lubrication and tribological performance evaluation: A review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 232(2), 193-209. https://doi.org/10.1177/135065 0117706269
[6] Takabi, J., & Khonsari, M. M. (2015). On the thermally-induced seizure in bearings: A review. Tribology International, 91, 118-130. https://doi.org/10.1016/j.triboint.201 5.05.030
[7] Meng, X., Gu, C., & Zhang, D. (2017). Modeling the wear process of the ring/liner conjunction considering the evaluation of asperity height distribution. Tribology International, 112, 20-32. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.03.025
[8] Morris, N., Rahmani, R., Rahnejat, H., King, P. D., & Fitzsimons, B. (2013). Tribology of piston compression ring conjunction under transient thermal mixed regime of lubrication. Tribology International, 59, 248-258. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2012.09.002
[9] Kennedy, M., Hoppe, S., & Esser, J. (2014). Lower Friction Losses With New Piston Ring Coating. Motortechnische Zeitschrift worldwide, 75(4), 24-29. https://doi.org/10.10 07/s38313-014-0135-7
[10] Whitehouse, D. J. (1997). Surface metrology. Measurement Science and Technology, 8(9), 955-972. https://doi.org/10.1088/0957-0233/8/9/002
[11] Friedrich, C., Berg, G., Broszeit, E., Rick, F., & Holland, J. (1997). PVD CrxN coatings for tribological application on piston rings. Surface and Coatings Technology, 97(1-3), 661-668. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(97)00335-6
[12] Li, Z., Zhang, H., He, W., Xu, L., Zhang, G. a., Nie, X., Liao, B., & Li, Y. (2019). Tribological performance of GLC, WC/GLC and TiN films on the carburized M50NiL steel. Surface and Coatings Technology, 361, 1-8. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.01.038
[13] Wang, J., Pu, J., Zhang, G., & Wang, L. (2015). Architecture of superthick diamond-like carbon films with excellent high temperature wear resistance. Tribology International, 81, 129-138. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.08.017
[14] Makowski, S., Weihnacht, V., Schaller, F., & Leson, A. (2014). Ultra-low friction of biodiesel lubricated ta-C coatings. Tribology International, 71, 120-124. https://doi.org/10.10 16/j.triboint.2013.11.002
[15] Dalibón, E. L., Escalada, L., Simison, S., Forsich, C., Heim, D., & Brühl, S. P. (2017). Mechanical and corrosion behavior of thick and soft DLC coatings. Surface and Coatings Technology, 312, 101-109. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.10.006
[16] Herd, S., Wood, R. J. K., Wharton, J. A., & Higgs, C. F. (2018). Explicit fracture modelling of cemented tungsten carbide (WC-Co) at the mesoscale. Materials Science and Engineering: A, 712, 521-530. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.11.109
[17] Turnbull, R., Dolatabadi, N., Rahmani, R., & Rahnejat, H. (2020). An assessment of gas power leakage and frictional losses from the top compression ring of internal combustion engines. Tribology International, 142, 105991. https://doi.org/10.1016/j.triboint.20 19.105991
[18] Kaźmierczak, A. R. (2021). Analysis of the results from a goniometer and tribotester of a diamond derivative coating on the first piston ring of an internal combustion engine. Wear, 477(2), 203812. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203812
[19] Yashin, M., Baroninš, J., Menezes, P. L., Viljus, M., Raadik, T., Bogatov, A., Antonov, M., & Podgursky, V. (2017). Wear rate of nanocrystalline diamond coating under high temperature sliding conditions. Solid State Phenomena, 267, 219-223. https://doi.or g/10.4028/www.scientific.net/SSP.267.219
دوره 20، شماره 1 - شماره پیاپی 61
فنی و مهندسی
بهار 1402
صفحه 263-278

  • تاریخ دریافت 28 آبان 1401
  • تاریخ بازنگری 10 بهمن 1401
  • تاریخ پذیرش 20 اسفند 1401