流体机械

项目	实测值		项目	实测值
Si	0.590		Cr	0.100
Fe	0.900	Zn	0.396
Cu	0.817	Ti	0.026
Mn	0.402	Al	95.831
Mg	0.903	—	—

项目	实测值		项目	实测值
Si	0.590		Cr	0.100
Fe	0.900	Zn	0.396
Cu	0.817	Ti	0.026
Mn	0.402	Al	95.831
Mg	0.903	—	—

工况	频率/Hz	载荷/N
1	8	40
2	16	40
3	16	80

工况	频率/Hz	载荷/N
1	8	40
2	16	40
3	16	80

编号	表面硬度值（HV）
G01	141	148	146	144	146	145
G02	1990	2002	1999	2001	1998	1998
G03	2117	2145	2142	2130	2126	2132

编号	表面硬度值（HV）
G01	141	148	146	144	146	145
G02	1990	2002	1999	2001	1998	1998
G03	2117	2145	2142	2130	2126	2132

编号	表面粗糙度/μm
G01	0.148	0.149	0.146	0.146	0.146	0.147
G02	1.164	1.166	1.163	1.156	1.155	1.160
G03	0.245	0.241	0.249	0.249	0.244	0.246

编号	表面粗糙度/μm
G01	0.148	0.149	0.146	0.146	0.146	0.147
G02	1.164	1.166	1.163	1.156	1.155	1.160
G03	0.245	0.241	0.249	0.249	0.244	0.246

编号	G01	G02	G03
厚度/μm	36.5	37.0	36.8

编号	G01	G02	G03
厚度/μm	36.5	37.0	36.8

工况	平均摩擦系数
1	0.147 3	0.194 2	0.151 4
2	0.092 9	0.124 9	0.084 4
3	0.074 6	0.101 5	0.076 0

工况	平均摩擦系数
1	0.147 3	0.194 2	0.151 4
2	0.092 9	0.124 9	0.084 4
3	0.074 6	0.101 5	0.076 0

编号	工况	磨损率/（mm³·N^-1·m^-1）
G01	1	0.136
2	0.125
3	0.051
G02	1	0.119
2	0.108
3	0.051
G03	1	0.097
2	0.085
3	0.034

编号	工况	磨损率/（mm³·N^-1·m^-1）
G01	1	0.136
2	0.125
3	0.051
G02	1	0.119
2	0.108
3	0.051
G03	1	0.097
2	0.085
3	0.034

无油压缩机气缸镀层材料的摩擦磨损试验研究

方燚 ¹^,² , 范文俊 ¹^,² , 刘世成 ¹^,² , 鲍军 ¹^,² , 闫慧敏 ¹^,² , 李奉誉 ¹^,²

流体机械 | 试验研究 2026,54(1): 23-29

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流体机械 |试验研究 2026 , 54 (1) : 23 -29

无油压缩机气缸镀层材料的摩擦磨损试验研究

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方燚¹^,², 范文俊¹^,², 刘世成¹^,², 鲍军¹^,², 闫慧敏¹^,², 李奉誉¹^,²

作者信息

¹合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031

²高端压缩机及系统技术全国重点实验室，合肥 230031

通讯作者:

李奉誉（1995），男，副研究员，主要从事高端压缩机及系统优化设计工作，通信地址：230031安徽省合肥市长江西路888号合肥通用机械研究院有限公司，E-mail：hgmri_lfy@163.com

作者简介:

方燚（1988），男，工程师，主要从事压缩机及系统成套设备的设计研发工作，E-mail：fangyi1220@126.com

Experimental study on friction and wear of coating materials for oil‑free compressor cylinders

Yi FANG¹^,², Wenjun FAN¹^,², Shicheng LIU¹^,², Jun BAO¹^,², Huimin YAN¹^,², Fengyu LI¹^,²

Affiliations

¹Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，China

²State Key Laboratory of High‑end Compressor and System，Hefei 230031，China

出版时间: 2026-01-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.004

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摘要

收起

为提升无油压缩机的使用性能与工作寿命，对其活塞环与气缸内壁接触副的摩擦磨损特性展开研究。将气缸表面分别制备为Teflon镀层、SiC镀层和DLC镀层，选用填充PTFE作为活塞环材料，进行滑动摩擦磨损试验。结果表明，DLC镀层气缸所对应摩擦副的摩擦系数时序曲线最为稳定，且摩擦因数最低，其表面形貌良好，活塞环磨损率最小；Teflon镀层对应摩擦副的平均摩擦系数最低（0.074 6），但由于镀层与铝合金基底结合力较差，磨损较为严重；SiC与DLC镀层则与基底结合良好。所有摩擦副的磨损机制均以黏着磨损为主，摩擦过程中均在对偶件表面生成形貌不同的PTFE转移膜；在室温（25 ℃）条件下，转移膜呈片状结构，其中，DLC镀层气缸表面的转移膜最为完整，表明DLC镀层是较理想的气缸表面优化方案。研究可为无油压缩机的优化设计提供理论依据。

关键词

无油压缩机 / 气缸 / 活塞环 / 摩擦磨损 / 转移膜

Abstract

收起

To improve the operational performance and service life of oil‑free compressors，a study on the friction and wear characteristics of the contact pair between piston rings and cylinder inner walls was conducted.Cylinder surfaces were coated with Teflon，SiC，and DLC，respectively，and filled PTFE was selected as the piston ring material for sliding friction and wear tests.The results show that the friction coefficient time series curve of the friction pair corresponding to the DLC‑coated cylinder is the most stable，with the lowest friction factor.The surface morphology of the DLC coating is favorable，and the wear rate of the piston ring is the lowest.The average friction coefficient of the friction pair corresponding to the Teflon coating is the lowest （0.074 6），but due to poor adhesion between the coating and the aluminum alloy substrate，wear is relatively severe.Both SiC and DLC coatings exhibit good adhesion to the substrate.The wear mechanism of all friction pairs is predominantly adhesive wear，with PTFE transfer films of varying morphologies formed on the surface of the counterpart during friction.Under room temperature （25 ℃） conditions，the transfer films exhibit a flaky structure，with the most complete transfer film observed on the surface of the DLC‑coated cylinder.This indicates that the DLC coating is a relatively ideal optimization solution for cylinder surfaces.The study provides a theoretical basis for the optimized design of oil‑free compressors.

Key words

oil‑free compressor / cylinder / piston ring / friction and wear / transfer film

引用本文

方燚, 范文俊, 刘世成, 鲍军, 闫慧敏, 李奉誉. 无油压缩机气缸镀层材料的摩擦磨损试验研究. 流体机械, 2026 , 54 (1) : 23 -29 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.004

Yi FANG, Wenjun FAN, Shicheng LIU, Jun BAO, Huimin YAN, Fengyu LI. Experimental study on friction and wear of coating materials for oil‑free compressor cylinders[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (1) : 23 -29 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.004

正文

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0　引言

收起

随着流程工业向高端化、绿色化发展，工作介质的清洁无污染成为关注重点，无油活塞压缩机（简称无油压缩机）获得了充分发展。近年来，学者们对活塞压缩机的减振降噪、热力学、动力学等领域进行着持续研究，极大地提升了活塞压缩机的整体性能^［1-6］。随着无油压缩机市场需求的不断增大，对其运行寿命的要求也越来越高。摩擦副作为影响压缩机寿命、工作稳定可靠性及使用经济性的最重要因素之一，其摩擦学特性及磨损特性一直是热门研究方向^［7-13］。通常，无油压缩机的活塞环填充采用PTFE，PEEK或其他非金属材料，其中，PTFE具有较低的摩擦系数和良好的自润滑性，且在高温下稳定性较好^［14］，在无油干摩擦工况下的高性能机械密封中应用最为广泛^［15］。为改善其综合性能，通常需向PTFE基体中添加适量填充材料，主要包括玻璃纤维、石墨、二硫化钼、铜粉及耐高温的有机高分子材料^［16-17］。另外，相比于无油压缩机气缸常用的铸铁、不锈钢及钛合金等材质，铝合金具有轻量化、散热性能好，且比其他轻质合金成本低、耐磨性好等优势。但是，由于铝合金的热膨胀系数大，在高温高压工况下易产生变形和裂纹，其较差的摩擦学性能阻碍了其在复杂工况下的应用，因此，需对气缸内壁进行表面处理，常见工艺包括镀镍陶涂层、等离子体化学气相沉积（plasma chemical vapor deposition，PCVD）技术形成类金刚石表面，以及阳极氧化后形成类陶瓷表面等^［18-19］。

针对无油润滑活塞环材料的改性工作，前人已开展一系列研究。张美迪^［20］采用GF/PTFE活塞环与气缸套配对进行磨损试验，研究了不同渗氮工艺对气缸套表面摩擦学性能的影响，以及磨损距离对气缸套表面转移膜的影响，通过观察磨损前后活塞环和气缸套的表面微观形貌及组成元素，揭示了GF/PTFE活塞环在不同温度下的磨损行为。张卫敏^［21］为解决空压机活塞环因使用复合材料导致的性能差、使用寿命短的问题，通过引入纳米粒子提升复合材料性能，经纳米粒子改性后有效解决了其团聚问题，对比了纳米粒子改性前后填充复合材料的性能差异，并确定了偶联剂对纳米粒子改性的最佳浓度值。李瑞红^［22］将活塞环与气缸壁简化为栓-盘摩擦模型，探讨了表面粗糙度与表面纹理对纳米SiO₂改性PTFE复合材料在干摩擦条件下摩擦学性能的影响，为干摩擦条件下活塞环密封增强技术的研究提供了试验依据与理论支持。

然而，目前适用于无油压缩机铝合金材质气缸的表面处理研究鲜见报道；同时，相比于更换活塞环，气缸或缸套的更换成本更高。因此，研究适用于无油压缩机气缸内壁的表面处理方式，对于大幅降低配对摩擦副的磨损、改善其摩擦学性能具有重要意义。本文在干摩擦条件下，将试验温度和行程设为定量，保持销试样（即活塞环材质）为填充玻璃纤维的PTFE材料。鉴于Teflon，SiC和DLC材料^［23-25］均具有优异的摩擦学性能，分别选用3种镀层处理的铝合金气缸块作为研究对象，探讨不同镀层在不同载荷及不同摩擦频率工况下，摩擦因数、磨损形态及磨损率的差异，以期为不同应用工况下无油压缩机气缸与活塞环的摩擦副选型设计提供技术参考。

1　试验设置

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1.1　样品材料

销试样采用直径6.5 mm、长度50 mm的PTFE圆柱棒，并对边缘进行倒角处理以减小试验误差。盘试样尺寸为30 mm×35 mm×10 mm的6系铝合金块，牌号为6061，其材料元素含量见表1。在铝合金块表面分别制备了Teflon，SiC和DLC镀层，各镀层处理工艺以编号表示：Teflon镀层编号为G01，SiC镀层编号为G02，DLC镀层编号为G03，镀层厚度均控制在35~40 μm。

在Rtec-instruments多功能摩擦磨损试验机上，对PTFE与不同镀层处理的铝合金气缸块所组成的摩擦副进行滑动摩擦测试。上试样为销试样，固定夹持于加载器上，沿竖直方向加载；下试样为盘试样，固定夹持于往复移动平台上，平台沿水平轨道做往复运动。试验温度为室温（25 ℃），载荷设置为40，80 N，往复频率为8，16 Hz，每组试验的摩擦行程为20 mm，摩擦时间均为1 h。各工况对应参数如表2所示。试验机工作原理如图1所示，工件安装公差控制在0.01 mm以内。

1.2　试验方法

采用YZHV-1000B显微维氏硬度计测量不同镀层气缸块的表面硬度，使用JD350型粗糙度测试仪检测其表面粗糙度，并利用ED400型涡流测厚仪测定镀层厚度。试验过程中，通过Rtec-Instruments多功能摩擦磨损试验机MFT-5000采集并记录摩擦系数时序曲线。磨损试验后，在形貌仪上对试样磨损区与原始区域分界处的表面形貌进行采样。此外，采用HM-120电子分析天平测量摩擦磨损试验前后试样的质量变化。

硬度、粗糙度及厚度的测量选点方向与实际摩擦磨损往复方向保持一致，选点位置如图2所示。

2　试验结果与分析

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2.1　镀层材料属性

采用显微维氏硬度计对不同镀层气缸块的表面硬度进行检测，每个试样选取5个有效点进行测量，以各点测量结果的平均值作为试样的表面平均硬度，测试结果见表3。

使用涡流测厚仪测量不同镀层表面的粗糙度，每个试样选取5个有效测量点，以其平均值作为该试样表面的平均粗糙度，结果见表4。

采用粗糙度测试仪测量不同镀层气缸块的表面镀层厚度，每个试样选取5个有效点进行测量，并以其平均值作为镀层厚度，结果见表5。

2.2　摩擦系数时序曲线分析

通过摩擦磨损试验机内置传感器获取实时摩擦力与加载力数据，摩擦力与加载力的比值即为摩擦系数，而平均摩擦系数为整个试验周期内摩擦系数的平均值。如图3~图5所示，不同配对摩擦副在相应工况下进行摩擦磨损试验时，摩擦因数随时间的变化曲线，称为摩擦系数时序曲线，可用于表征摩擦磨损过程中的实时动态变化。

不同材料间摩擦系数的差异主要源于材料表面分子间吸引力的不同，吸引力越强，摩擦系数通常越高；同时，摩擦系数也与材料加工后的表面粗糙度相关，表面粗糙度越大，摩擦系数一般也越高。表6给出了不同气缸块在不同工况下的平均摩擦系数。

从表可以得知，摩擦系数随摩擦频率的增大而减小，相同载荷（40 N）下，频率由8 Hz上升到16 Hz时，3种样件平均摩擦系数分别下降36.93%，35.68%，44.25%，平均降低39%；摩擦系数随载荷的增大而减小，相同频率（16 Hz）下，频率由40 N上升到80 N时，3种样件平均摩擦系数分别下降19.70%，18.7%，10.0%，平均降低16%。

对比3种镀层材料的摩擦系数时序曲线可知，各组合摩擦副在试验初始阶段摩擦系数均发生急剧变化，这源于初始磨合期间镀层表面凸峰不断经历剪切、变形与断裂。进入稳定磨损阶段后，摩擦系数曲线的波动趋于平缓。所有镀层与PTFE配副的磨损机制均为黏着磨损。其中，DLC镀层材料在高、低载荷及不同频率下均表现出优于其他两种镀层的摩擦性能。结合对DLC镀层气缸块试验后表面形貌的观察分析，可以推测，由于DLC镀层具有高硬度与低粗糙度的特性，具备良好的抗咬合性能及转移膜亲附能力，在与PTFE对摩过程中能形成较为致密连续的自润滑膜，因此，在不同频率和载荷下均可维持较低的摩擦系数及稳定的变化趋势。

同时可以看出，SiC镀层在低频率、低载荷条件下摩擦学性能较好，但随着摩擦频率与载荷的提高，其性能表现相较于其他2种镀层材料有所下降。这可能是由于摩擦频率升高导致摩擦温度上升，而镀层与基底之间的膨胀系数差异较大，在内部应力作用下结合状态不佳；高载荷工况进一步加剧了该现象，最终导致SiC镀层试样在高频率、高载荷条件下摩擦学表现较差。

与其他2种镀层材料不同，Teflon镀层属于非金属材料。在低频率与低载荷条件下，其与活塞环试样的接触面积较大，磨损产生的颗粒较多，导致摩擦系数升高。因此，通过提高摩擦频率与施加的载荷，可在一定程度上改善其在干摩擦工况下的摩擦学性能。

2.2　磨损形态分析

表面形貌能够直观反映材料在摩擦磨损前后表面状态的变化。图6~图8示出3组镀层气缸块与PTFE棒摩擦磨损后的表面形貌。从图6中可以看出，Teflon镀层即使在低频率和低载荷工况下，表面磨损痕迹依然严重，局部区域出现破坏并形成犁沟，说明与基底材料结合力较差。这会导致摩擦系数较大，且时序曲线也体现出其摩擦系数进一步增大的趋势，但是当摩擦频率和载荷增大时，磨损情况得到缓解，磨痕变浅且磨损痕迹比较均匀。从图7可以看出，SiC镀层与基底结合良好，在低频率、低载荷工况下，表面磨痕均匀，呈现良好的形貌特征，未见明显划痕，摩擦表面形成了连续的转移膜。然而，当摩擦频率提高后，磨痕趋于明显，镀层表面受到轻微破坏并出现犁沟现象，这一现象在载荷增加后更为显著。从图8可以看出，DLC镀层在不同摩擦频率及载荷条件下，表面磨损痕迹均保持均匀，未见明显磨痕。这表明在磨损过程中，DLC镀层表面被轻微切削，凹陷区域被PTFE填充，磨损形貌均匀且表现良好，材料表面均形成一层较为连续的转移膜，这也解释了其摩擦系数时序曲线保持稳定的原因。

2.3　磨损率分析

磨损率指单位长度、单位载荷下的磨损体积。鉴于气缸块硬度远高于活塞环，可假设所有磨损均发生于活塞环试样上，磨损体积V即等同于活塞环试样的磨损体积，磨损率按下式进行计算：

K = V / F S

（1）

式中，K为磨损率，mm³/（N·m）；V为磨损体积，mm³；F为载荷，N；S为摩擦行程，m。

计算结果见表7，可以看出，采用DLC镀层的气缸块磨损率最低。

3　结论

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（1）非金属软质Teflon镀层与铝合金基底的结合力，远低于金属硬质的SiC镀层及DLC镀层。

（2）摩擦系数随摩擦频率增大而减小。在相同40 N载荷下，当频率从8 Hz上升至16 Hz时，3种样件的平均摩擦系数降低了39%。

（3）摩擦系数随载荷增大而减小。在16 Hz频率下，当载荷从40 N上升至80 N时，3种样件的平均摩擦系数降低了26%。

（4）金属材质镀层与PTFE材料对磨后发生黏着磨损，并形成转移膜，其中，DLC镀层对应的转移膜较为致密和连续。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2026年第54卷第1期

引用本文

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.004

接收时间：2025-05-17
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-01-30

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收稿日期：2025-05-17
修回日期：2025-10-15

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¹合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031

²高端压缩机及系统技术全国重点实验室，合肥 230031

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

项目	实测值		项目	实测值
Si	0.590		Cr	0.100
Fe	0.900	Zn	0.396
Cu	0.817	Ti	0.026
Mn	0.402	Al	95.831
Mg	0.903	—	—

项目

实测值

项目

实测值

0.590

0.100

0.900

0.396

0.817

0.026

0.402

95.831

0.903

—

工况	频率/Hz	载荷/N
1	8	40
2	16	40
3	16	80

工况

频率/Hz

载荷/N

编号	表面硬度值（HV）
G01	141	148	146	144	146	145
G02	1990	2002	1999	2001	1998	1998
G03	2117	2145	2142	2130	2126	2132

编号

表面硬度值（HV）

数据1

数据2

数据3

数据4

数据5

平均值

G01

141

148

146

144

146

145

G02

1990

2002

1999

2001

1998

G03

2117

2145

2142

2130

2126

2132

编号	表面粗糙度/μm
G01	0.148	0.149	0.146	0.146	0.146	0.147
G02	1.164	1.166	1.163	1.156	1.155	1.160
G03	0.245	0.241	0.249	0.249	0.244	0.246

编号

表面粗糙度/μm

数据1

数据2

数据3

数据4

数据5

平均值

G01

0.148

0.149

0.146

0.147

G02

1.164

1.166

1.163

1.156

1.155

1.160

G03

0.245

0.241

0.249

0.244

0.246

编号	G01	G02	G03
厚度/μm	36.5	37.0	36.8

编号

G01

G02

G03

厚度/μm

36.5

37.0

36.8

工况	平均摩擦系数
1	0.147 3	0.194 2	0.151 4
2	0.092 9	0.124 9	0.084 4
3	0.074 6	0.101 5	0.076 0

工况

平均摩擦系数

G01

G02

G03

0.147 3

0.194 2

0.151 4

0.092 9

0.124 9

0.084 4

0.074 6

0.101 5

0.076 0

编号	工况	磨损率/（mm³·N^-1·m^-1）
G01	1	0.136
2	0.125
3	0.051
G02	1	0.119
2	0.108
3	0.051
G03	1	0.097
2	0.085
3	0.034

编号

工况

磨损率/（mm³·N^-1·m^-1）

G01

0.136

0.125

0.051

G02

0.119

0.108

0.051

G03

0.097

0.085

0.034