活塞环的材料

7第二章 活塞环的材料活塞环材料品种繁多、性能各异。选择活塞环的材料要考虑其使用条件、性能要求和环别等因素。一般说内燃机活塞环材料应满足下列要求；1 在高温下具有足够高的机械强度；2 耐磨且摩擦系数小；3 不易产生粘着，容易磨合；4 加工方便，价格便宜。这样，就要求活塞环材料应具有一定的强度、硬度、弹性、耐磨性（包括贮油性） 、耐蚀性、热稳定性和工艺性等。目前，活塞环材料主要是铸铁，随着发动机的强化，出现了从灰铸铁过渡到可锻铸铁和球墨铸铁以及钢材的趋向。常用的材料和性能见表 2-1。表 2-1 活塞环常用材料及性能许用应力（）材料 硬度 弹性模量/mm 2 工作应力 安装应力推荐使用范围灰铸铁合金铸铁亚共晶铸铁球墨铸铁碳钢马氏体不锈钢奥氏体不锈钢HRB 95106HRB 98108HRB 98108HRB 100110HR30N6872HRC 3844HR30N 59679500095000110001550020000200002000025252840505050505580100100压缩环 油环压缩环 油环压缩环 油环ISTIST OIL 刮片环IST钢带衬环活塞环的材料主要是灰铸铁、合金铸铁和球墨铸铁，其材料的成份和性能：1 灰铸铁：其化学成份按活塞环尺寸大小、铸造方法而变化。含 C:3.5-3.75% Si：2.2-2.75% Mn：0.6-0.8% P：0.3-0.8% S：小于 0.10%。含少量铬、钼或钒等合金元素，其性能、抗弯强度 30/ 2以上，硬度 HRB94-107，弹性系数 8000-11000/mm 2弹力衰减率（3002 小时）在 10%以下。2 合金铸铁：为了改进铸铁的基体组织，在铁水中另加铬、钛、钨、钒、铜、镍等元素即为合金铸铁。其硬度比灰铸铁高、耐热性好、弹力衰退小等优点。3 球墨铸铁：是将超共晶组织铁水，经镁、铈或钙处理而制成，主要优点是抗弯强度高达 80-120/mm 2，比普通铸铁高一倍以上。弹性系数高达 15000-17000/mm 2，受冲击不易破环。活塞环材料之所以以铸铁为主，主要是因铸铁中含有石墨是优良的固体润滑剂，当活塞环处于临界摩擦或干摩擦的状态下，铸铁材料就显示出其优越的自身润滑性能。如摩擦或润滑问题，能充分解决的话，钢材也可以用来制造活塞环，近年来还发展半可锻铸铁材料。2.1 活塞环的一般技术要求1 化学成分与金相活塞环广泛使用各种牌号的铸铁。材质是活塞环机械性能与使用寿命的基础，因此在规定范围内合理调整材料成分比例、严格控制造型与浇铸工艺来确保活塞环具有符合设计要求的最佳金相组织。2 热处理采用适当的热处理方法，以调整活塞环的金相组织及消除加工应力。3 刚度活塞环是一个刚度差的弹性零件，加工时必须合理安排工艺流程、注意装夹方法，以许用剪应力 200/mm 28保证加工时工件具有足够的刚度，达到尺寸、形状与粗糙度要求。4 保护端面活塞环两个端面是重要的工艺基准面，也是零件工作面，有较高的平度与粗糙要求。在加工流程中应注意清洁、保护端面、防止碰伤。5 型线设计为保证活塞环具有合理的缸壁压力分布，采用恰当形状曲线凸轮，仿形制造模具及加工外圆面是十分重要的。6 消除应力为保证形状精度要求，加工中应采取合理的刀具角度与切削量，以减少加工残留应力，并采用热处理方法消除应力。7 性能与寿命各种表面处理与处理前后的加工成为提高活塞环性能与寿命的重要工艺手段。8 加工设备与检测手段由于活塞环形状结构的复杂性与多样化，尺寸精度又有较高的要求，同时生产批量一般较大，最好采用工序集中的高效率、高精度的自动与半自动专用设备以及检测手段。2.2 活塞环对材料性能的要求2.2.1 强度抗弯强度是活塞环受力折断时的计算应力，它是衡量强度高低的一个参数。活塞环在安装和工作中，均受着弯曲应力，如抗弯强度达不到一定的值，则易于折断。为适应发动机强化的发展，为了减少活塞环与缸壁摩擦所损耗的功率，在设计时，往往要求活塞环高度尽可能薄，但同时又要保证活塞环有足够的弹力，这就对材料提出更高的抗弯强度要求；同时，为防止折断，对材料的坚韧性亦也一定要求，所以采用抗弯强度比灰铸铁、大得多的球墨铸铁、半可锻铸铁、蠕墨铸铁等材料有发展趋势。 （见表 2-2）表 2-2种类 抗弯强度 MPa单体铸造活塞环 392450筒体铸造活塞环 480520可锻、半可锻铸铁环 600950球墨铸铁环 90013002.2.2 硬度活塞环材料的硬度在一定程度上反映了材料的耐磨性。活塞环工作时，它与气缸壁摩擦面之间不可避免地会有夹杂物，尽管输入的油和空气均经过滤清，这些夹杂物仍然起着研磨剂的作用，形成磨料磨损。故需硬度高、抗磨料磨损能力强的材料，但硬度过高，不仅加工困难而且易于拉缸。同时，与其相匹配的气缸套，对硬度也提出了限制。因此，JB/T 511051999 规定了硬度允许范围和同一片环的硬度差值。 （见表 2-3）表 2-3种 类 硬 度 同一片环上的硬度差合金铸铁环 环直径150 mm环直径150 mm98108 HRB94105 HRB3 HRB可锻、半可锻铸铁环及球墨铸铁环 98110 HRB 按产品图样规定钢环经淬火、回火处理的环冷轧材料环不锈钢环400580HV367 HV 或按产品图案规定按产品图样规定40 HV92.2.3 弹性众所周知，活塞环之所以能在气缸内能起密封作用，首先是由于活塞环具有一定的弹力，然后在燃气的高压作用下，进一步向缸壁涨紧，并随着压力的增加而增加。而活塞环弹力的获得及其大小，除活塞环的几何形体和残留应力外，活塞环材料本身所具有的弹性是十分重要的。衡量材料的弹性，通常以弹性模量表现。弹性模量指在环实物试验基础上，通过计算得到的表征应力与应变关系的参数。24r 2ME = / mm 2mh1 1式中：m活塞环自由开口尺寸h1环高 1径向厚度活塞环减弱系数矩形断面 =1有斜棱、车槽等减弱的环 1r活塞环径向平均半径 （D-t）M活塞环闭合时的弯矩（cm）从 E 可以看出，在活塞环的几何形状（尺寸）一定以后，其闭合时的弯矩 M 越大，E值越高，弹性越好，反之则弹性差。活塞环材料的弹性，直接关系到活塞环的残余变形。材料弹性好，活塞环的残余变形就少，从实践检验可以知道某些材料如合金球墨铸铁环、合金蠕墨铸铁环几乎没有残余变形，而合金灰铸铁环的残余变形是显而易见的。典型的弹性模量：合金铸铁环：单体铸造环 95GPa筒体铸铁环 115GPa可锻、半可锻铸铁环 150160GPa球墨铸铁环 160GPa各种铸铁环的弹性模量均在相应材料典型模量15 GPa 以内钢 环 200GPa2.2.4 耐磨性（包括贮油性）研究活塞环材料的耐磨性，必须首先分析活塞环在气缸内工作时的运动状况、受力情况和工作环境等。（1）活塞环运动状况活塞环在气缸内工作，有上下往复运动，而且速度也不断变化，同时活塞环与环槽有一定间隙。因而还有沿环槽作旋转运动和震动等。（2）活塞环工作环境活塞环处在高温、高压燃气下工作，其润滑条件极差，甚至产生干摩擦情况。所以活塞环材料，必须有良好的抗磨能力，这就要求材料的金相组织有适当数量和大小且均匀分布的石墨，起贮油作用，润滑摩擦面。当然，单纯依靠材料本身是远远不够的，于是采取了各种不同的表面处理，如镀铬、喷钼、氮化等工艺来强化耐磨性。1210（3）活塞环受力情况活塞环工作时，气缸壁强迫活塞环闭合，受着压应力，而活塞环本身外圆受涨应力，内圆受压应力。活塞环在高温、高压下运动，又承受着极苛刻的摩擦力，且这摩擦力还在反复变化着。2.2.5 耐蚀性燃油中含有硫成分，燃烧后生成 SO2 和 SO3，它们与 H2O 作用形成酸，对活塞环有腐蚀性作用，特别对金属显微结构呈多元相的交界面，更易受到磨蚀。因此要求活塞环材料有一定的抗磨蚀能力。在金属材料中，铸铁类比钢类的抗腐蚀能力要强一些，在非金属材料中，如塑料类，耐蚀性能力更强。2.2.6 热稳定性热稳定性指将环装入环规内，在规定温度下，保持一定时间后，其弹力消失率。活塞环是处于高温气体下工作，如材料热稳定性差，那么很快就会衰退，密封作用降低，产生漏油窜气。热稳定性应符合表 2-4 规定。表 2-4种 类 切向弹力的最大消失率，%整体环 合金铸铁（包括碳化物铸铁） 12可锻铸铁、球墨铸铁、钢 8撑簧油环 非耐热钢 25耐热钢 12钢带组合油环 非耐热钢 30耐热钢 152.2.7 表面处理性为了提高活塞环耐磨性，必须对其进行各种不同的表面处理，如镀铬、喷钼、氮化、激光表面等。 （见表 2-5）而各种不同的表面处理，对活塞环材质的化学成分、金相组织结构有不同的要求。如表面镀铬，对活塞环材料的 Si含量应在 2.8%以下，石墨应以细小且分布均匀为宜，其量也不能过多，否则将会严重影响其结合强度；又如激光表面淬火，要求活塞环材料有较高的含碳量；氮化、喷涂等均有不同要求。表 2-5 活塞环镀层镀层 环磨损 抗咬合性 气缸磨损 注解电镀铬喷铬喷钼喷碳化钨氧化铁磷化镀铜极好很好一般极好一般一般差很好很好很好好很好磨合中抗咬合性很好磨合中抗咬合性极好很好一般一般好好很好应用最广对气缸磨损性能变化大随着温度升高和时间延长而损坏特别温度超过 250主要用于磨合主要用于磨合，也可加镀铬层11随着发动机的强化，出现了采用球墨铸铁和可锻铸铁作为活塞环的趋向。球墨铸铁的机械强度较高，但润滑性能比合金铸铁差（由于石墨面积与体积比小） ，有良好的耐磨性和抗粘着能力，表 2-6 给出球墨铸铁与灰铸铁机械性能比较数据。表 2-6 球墨铸铁与灰铸铁的机械性能比较材 料性 能灰口铸铁 球墨铸铁 球墨铸铁（针状组织）弹性模数（MPa）抗弯强度（MPa）硬 度 HRB950003509510715000010001001071600001000HRC3545活塞环常用材料的性能参数见表 2-7。表 2-7 活塞环材料的性能参数弹性模量EnGN/m2抗拉强度MN/m2硬度BHN疲劳值 磨损率 抗咬合性灰铸铁可锻合金铸铁可锻/球墨铸铁烧结铸铁83-124140-160155-165120230-310400-580540-820250-390210-310250-320200-440130-150一般好/很好极好好好极好差，一般镀铬好很好/极好好，镀铬更