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表面技術課程設計內(nèi)燃機活塞環(huán)耐磨工藝設計學號 3090702040，班級 金屬0902，材料科學與工程學院第一章 服役條件分析1.1活塞環(huán)運動狀況活塞環(huán)在氣缸內(nèi)工作，有上下往復運動，而且速度也不斷變化，同時活塞環(huán)與環(huán)槽有一定間隙，因而還有沿環(huán)槽的旋轉(zhuǎn)運動和震動等。 圖1 活塞環(huán) 圖2 活塞環(huán)工作環(huán)境1.2 活塞環(huán)工作環(huán)境活塞環(huán)處在高溫、高壓燃氣下工作，其潤滑條件極差，甚至產(chǎn)生干摩擦情況。所以活塞環(huán)材料，必須有良好的抗磨性能，這就要求材料的金相組織有適當數(shù)量和大小且均勻分布的石墨，起貯油作用，潤滑摩擦面。1.3 活塞環(huán)受力情況活塞環(huán)工作時，氣缸壁強迫活塞環(huán)閉合，受著壓應力，而活塞環(huán)本身外圓受拉應力，內(nèi)圓受壓應力?；钊h(huán)在高溫、高壓下運動，又承受著極苛刻的摩擦力，且這摩擦力還在反復變化著。第二章 活塞環(huán)鍍層所需性能2.1 耐磨性（包括貯油性）一般認為活塞環(huán)最好不磨損，或者磨損量愈小愈好。但是實際上，活塞環(huán)的磨損卻是實現(xiàn)活塞環(huán)性能所必不可少的一種現(xiàn)象。與之相反，如果絕無磨損，活塞環(huán)就不能與氣缸完全貼合，則氣密作用、導熱作用就難以確保。所以在新組裝活塞時，為了加速初期磨合，就要求要求容易初期磨損的活塞環(huán)?？傊?，從活塞環(huán)的磨損性來看，這是相互矛盾的兩個方面，既要滿足初期磨合時的易磨性，又耍滿足長期運轉(zhuǎn)時的耐磨性，這是活塞環(huán)材料要求上的一個特點。2.2 耐蝕性燃油中含有硫成分，燃燒后生成SO2 和SO3，它們與H2O作用形成酸，對活塞環(huán)有腐蝕作用，特別是金屬顯微結構呈多元相的交界面，更易受到磨蝕。因此要求活塞環(huán)材料有一定的抗磨蝕能力。在金屬材料中，鑄鐵類比鋼類的抗腐蝕能力要強一些，在非金屬材料中，如塑料類，耐蝕性能力更強。 2.3熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性指將環(huán)裝入環(huán)規(guī)內(nèi)，在規(guī)定溫度下，保持一定時間后，其彈力消失率?；钊h(huán)是處于高溫氣體下工作，如材料熱穩(wěn)定性差，那么很快就會衰退，密封作用降低，產(chǎn)生漏油竄氣。高溫對環(huán)的影響首先表現(xiàn)彈力的衰退，即活塞環(huán)的熱穩(wěn)定性變差。我國規(guī)定，活塞環(huán)放在相當于氣缸最大直徑的環(huán)規(guī)內(nèi)，在35010溫度下保溫1小時，彈力的消失不大于25。我國鐵路部門規(guī)定：活塞環(huán)放在規(guī)定的量規(guī)內(nèi)，在350士10溫度下保溫1小時，其彈力消失不大于15%。第三章 活塞環(huán)鍍層工藝選擇與制定3.1 鍍鉻處理鉻是略帶藍色的銀白色金屬，易在空氣中鈍化，與堿液、硝酸、硫酸、硫化物以及許多有機酸都不發(fā)生反應。鍍鉻層有很高的硬度和很強的耐磨性，同時還具有很強的耐熱性能，在空氣中加熱到500，其外觀和硬度無明顯變化。鉻的標準電極電位比鐵負，但由于鈍化作用它的電極電位比鐵正，因此對鋼鐵鍍件來說鉻鍍層屬于陰極性鍍層。3.2 鍍錫處理活塞環(huán)用電解法所獲得的錫層，有很高的化學穩(wěn)定性，在潮濕空氣的作用下不會被氧化，但與各種稀酸類有輕微反應。鍍錫層柔軟而耐磨性不好，因其具有優(yōu)良的減磨作用，故經(jīng)鍍錫處理的活塞環(huán)在走合運轉(zhuǎn)期間不會拉缸。又因鍍錫層易于磨損，有利于初期磨合，所以如欲縮短走合期，可采用鍍錫。無論在什么情況下，鍍錫層的厚度均在0.0050.01mm之間，不可太厚。3.3 磷化處理磷化處理是一種在鋼鐵表面上形成多孔性磷酸錳或磷酸鋅以及磷酸鐵薄膜的工藝。磷化膜是由一系列大小不同的晶體所組成, 在晶體的連結點上形成細小裂紋的多孔結構, 這種多孔的晶體結構使活塞環(huán)表面具有吸附保油性、耐蝕性及減磨性, 它本身易于磨損, 對活塞環(huán)起到防銹及易于初期磨合的作用。磷化處理所需設備簡單，操作方便，成本低，生產(chǎn)效率高。3.4 工藝選擇本次設計采用松孔鍍鉻處理。鉻在常用金屬中硬度最高，不斷改進鍍鉻工藝的添加劑，HV值已提高到900以上，耐磨性較好；摩擦系數(shù)低，活塞環(huán)磨損??；熔點高（1890），耐熔著磨損性好；鍍鉻件售價比鍍錫減低10%左右，表面附著力強（適鍍錫件的34倍），還具有良好的耐熱性能、高抗硫性能和高抗堿性能。鍍鉻層表面的潤油性很差，尤其是承受高壓、高速和高溫等惡劣條件下工作的活塞環(huán)，容易造成干摩擦的狀態(tài)，因而活塞環(huán)的使用壽命顯著下降。為了提高鍍層表面的潤濕性能，采用松孔鍍鉻的方法。松孔鉻亦稱網(wǎng)紋鉻。為了改善在摩擦狀態(tài)下鉻鍍層的工作條件對已有的鉻鍍層進行松孔處理，使鉻層原有的網(wǎng)狀裂紋加深和加寬，這樣的鉻層具有吸油性，從而增加鉻鍍層的耐磨性。鍍硬鉻與松孔鍍鉻的磨損情況，一般在低負荷下二者大致是相同的。但負荷超過200MPa時，松孔鉻層的磨損量要比硬格層的磨損量小得多。鍍松孔鉻處理有三種方法：（1）機械法 在經(jīng)過噴砂和磨光的基體表面上，用滾壓工具使基體表面壓成圓錐或角錐的小坑，鍍鉻后表面保留這些小坑。這種方法較簡單，易于控制，但與潤滑油的附著性能不夠理想。（2）化學法 在鍍鉻的表面上，用鹽酸處理，使鍍鉻層原有的裂紋和空隙加以擴大和加深。這種方法鉻層損耗多，且溶解難于均勻。（3）電化學法 活塞環(huán)經(jīng)鍍耐磨鉻后，進行陽極松孔處理，是耐磨層上原有的淺窄網(wǎng)狀裂紋擴大和加深，鍍層表面就產(chǎn)生貯存潤滑油的功能，提高活塞環(huán)的抗磨性能。此次設計即采用此法。第四章 工藝流程研磨鎖口封鉛汽油清洗冷水洗電化學除油熱水洗冷水洗化學腐蝕鍍鉻冷水洗熱水洗干燥除氫(熱處理) 研磨冷水洗松孔冷水洗熱水洗鍍層檢驗第五章 各工序的作用5.1 研磨用于消除圓環(huán)外表面加工缺陷（劃痕、擦傷、壓痕等）和鑄造缺陷。研磨時間為：鍍鉻前1525min,鍍鉻后為2535min可研好。機加工時應注意，圓角的大小一定要保持均勻，沒有任何可見的劃痕，否則在鍍鉻時會出現(xiàn)很多的鉻瘤，最后造成氣孔而使活塞環(huán)報廢。5.2 鎖口鉛封為了防止鎖口處的鉻層過厚和生飛刺，活塞環(huán)在裝到芯棒上后鍍鉻前鎖口內(nèi)應用鉛封住。開始用熔化的鉛灌滿鎖口的縫隙中，待鉛冷卻后用軟鋼小刀將多余的鉛削去。這個方法較為復雜，同時在用小刀削平時也容易將活塞環(huán)劃傷?，F(xiàn)在多采用軟鉛嵌入鎖口的縫隙內(nèi)（鉛片的厚度根據(jù)活塞環(huán)鎖口間隙的大小而定）用銅錘打緊，然后用小刀削去多余的鉛。這樣，操作起來既簡單又節(jié)省時間。5.3 汽油清洗利用汽油能溶解油脂的特點，除去黏附在活塞環(huán)表面上的礦物油脂。除油的方法是把活塞環(huán)放在盛有溶劑的槽內(nèi)，用刷子蘸溶劑擦刷活塞環(huán)表面。汽油除油的優(yōu)點是速度快、操作方便、不腐蝕零件。其缺點是除油不徹底、因為溶劑揮發(fā)后。零件表面會留下一層極薄的油膜。所以必須補充除油，可用手工刷洗、化學除油或電化學除油，一般操作場所要裝排風機，過去應用不廣。但隨著除油設備不斷改進，使用過的溶劑可蒸餾再生，設備也基本密封，增加了安全囊可靠性，降低廠成本，有機溶劑除銹的應用就日益增多了。5.4 電化學除油電化學除油也叫電解除油，是在電流作用下，將活塞環(huán)作為陰極或陽極、置于堿性镕液進行電解，從而除去油污。電化學除油時，除了有化學除油的皂化與乳化作用外，還在電流作用下，便零件表面析出氫氣或氧氣。它們的氣泡逐漸變大，將薄膜從內(nèi)部撕裂帶到液面上，并對溶液起到攪拌作用，加速丁油污脫離零件表面的速度。所以，電化學除油比化學除油更有效。為了徹底去除活塞環(huán)表面的油脂，保證最精細的表面清理。除油時活塞環(huán)放在陰極上，陽極用不銹鋼板或鍍鎳的鐵板，陽極不應溶解。5.5 化學腐蝕在腐蝕前除油以后，活塞環(huán)表面上發(fā)現(xiàn)暗色或小斑點，經(jīng)腐蝕后暗色或小斑點消除，但是活塞環(huán)表面發(fā)現(xiàn)有石墨黑點，用維也納石灰刷洗將石墨黑點去掉了。所以弱腐蝕后必須要用維也納石灰刷洗，一方面作為補充除油，另一方面去掉金屬表面上殘余的石墨痕跡，以提高鉻和鑄鐵的結合強度。5.6 除氫熱處理主要是使大部分殘留氫氣排出，減少工件的脆性，提高其疲勞強度。同時，熱處理還能改善鍍層與基體金屬之間的結合性，當基體金屬承受壓力變形時，鍍層有良好的變形適應性，不至于發(fā)生剝落現(xiàn)象。通常在180200干燥箱中除氫1.52h。5.7 松孔硬鉻鍍層的優(yōu)點是表面硬而致密平滑，這樣的性質(zhì)有利于具有較好的耐磨性，在硬鉻層表面雖然也有裂紋，但深度和寬度都不大。無法貯藏潤滑油，因而潤滑性差。而在苛刻條件下使用的鍍層，如隨著重負荷機械摩擦的活塞環(huán)，必須有良好的潤滑性，以減小摩擦系數(shù)。因此采用松孔處理，以提高零件的使用壽命。第六章 工藝配方及工藝參數(shù)分析6.1 前處理6.1.1 電化學除油配方及各組分作用表1 電解除油溶液配方及參數(shù)NaOH3040 g/L電流密度57 A/dm2Na2CO32030 g/LNa3PO42040 g/L時間鑄鐵：在陰極35min在陽極0.51.5min鋼： 12minNa2SiO312H2O13 g/L溫度7090氫氧化鈉（NaOH） 除油溶液的主要成分，直接參與除油過程的化學反應，由于氫氧化鈉的堿性極強，對金屬有一定的氧化和腐蝕作用。堿含量高時，皂化作用強，但過高時潤濕性差，不易清洗干凈，因此對除油不利。碳酸鈉（Na2CO3） 除油溶液中的主要成分，碳酸鈉溶于水后，即發(fā)生水解反應，生成的氫氧化鈉與油脂發(fā)生皂化反應除去油污，碳酸鈉在除油溶液中起到補充所消耗的氫氧化鈉的作用，并對溶液的PH值起到緩沖作用（PH8.5時，皂化反應不能進行，PH10.2時，皂化物水解）。磷酸三鈉（Na3PO4） 一、水解，生產(chǎn)的氫氧化鈉參與除油的皂化反應；二、磷酸三鈉潤濕性好，對油脂有一定的乳化作用，容易清洗干凈。但磷酸鹽能促進水中微生物大量繁殖，將大量消耗水中的氧，影響水生生物的生存，破壞生態(tài)平衡。廢水排放受到限制，現(xiàn)已普遍提供無磷型除油劑。硅酸鈉（Na2SiO310H2O） 一、偏硅酸鈉對油脂的乳化作用較強，可除去不能發(fā)生皂化反應的礦物油脂；二、是偏硅酸鈉的分子能在零件表面形成薄膜，保護表面免受氫氧化鈉的腐蝕。6.1.2 化學腐蝕鑄鐵活塞環(huán)在3%6%的氫氟酸溶液中進行弱腐蝕，時間為1030s。6.2 鍍鉻處理6.2.1 鍍鉻處理配方表2 電鍍鉻處理配方及工藝參數(shù)成分含量溫度5055CrO3220270電流密度3050 A/dm2H2SO41.82.7時間3.54.5hCr3+1.56鍍層厚度0.170.20mm6.2.2 配方中各組分作用及參數(shù)確定6.2.2.1 鉻酐（CrO3）鉻酐的水溶液是鉻酸，是鍍鉻層的唯一來源。鉻酐濃度可以在很大范圍內(nèi)變動。鉻酐的濃度對鍍液的電導率起決定作用，每一個溫度下都有一個相應于最高電導率的過鉻酐濃度；鍍液溫度升高，電導率最大值隨鉻酐濃度增加想稍高的方向移動。因此，單就電導率而言，宜采用鉻酐濃度較高的鍍鉻液。但采用高濃度鍍鉻液，由于隨活塞環(huán)帶出損失嚴重，一方面造成材料的無謂消耗，同時還對環(huán)境造成一定污染。故一般生產(chǎn)上采用的鉻酐濃度為150400g/L。6.2.2.2 硫酸根（SO42-）硫酸根在電鍍液中起催化作用當SO42-含量過高時，對膠體膜的溶解作用強，基體露出的面積大，真實電流密度小，陰極極化小，得到的鍍層不均勻，有時發(fā)花，特別嚴重時還可能露出基體金屬。硫酸的含量主要取決于鉻酐與硫酸的比值一般控制在CrO3/SO42-=（80100）：1，最佳值為100：1。6.2.2.3 三價鉻（Cr3+）鍍鉻液中Cr6+離子在陰極還原產(chǎn)生Cr3+與此同時在陽極上被氧化，三價鉻濃度很快達成平衡，平衡濃度取決于陰陽極面積比。Cr3+離子是陰極形成膠體膜的主要成分，只有當鍍液中含有一定量的Cr3+時，鉻的沉積才能正常進行。當Cr3+的含量偏高時，可用小面積的陰極和大面積的陽極，保持陽極電流密度為11.5 A/dm2電解處理，處理時間視Cr3+含量而定，鍍液溫度為5060時，效果最好。6.2.2.4 溫度和電流密度當電流密度不變時，電流效率隨溫度升高而下降；若溫度固定，則電流效率隨電流密度的增大而增加。然而，當CrO3/SO42值減小時，變化相應變小，因此通常采用較低的溫度和較高的陰極電流密度。6.3 松孔處理松孔處理可在同一鍍液中進行，將活塞環(huán)接陽極，鉻鍍層受逆向電流的作用。開始的1.52min，用電流沖擊，電流密度為正常陽極的2倍，以除去鉻上面的氧化薄膜。表3 松孔處理工藝參數(shù)溫度電流密度處理時間松孔厚度5045 A/dm21011min0.040.05mm第七章 鍍層檢驗7.1 外觀鍍層松孔處理后根據(jù)網(wǎng)紋的粗細程度不同，可呈亮灰色至淡灰色。結晶應細致，均勻。允許缺餡：輕微的水印；由于零件材質(zhì)不均和表面狀態(tài)不同，同一零件上有均勻的顏色和光澤；在零件的邊、棱角處有輕微的粗糙，但不影響零件的裝配；鍍鉻后尚需磨加上的鉻鍍層，有經(jīng)過磨加上能排除掉缺陷(如粗糙、針孔等)。不允許缺陷：粗糙、燒焦、起泡、脫落；樹枝狀結晶；局部無鍍層(技術文件規(guī)定處除外)；未 圖3 鍍層的儲油網(wǎng)紋 洗凈的鉻酐前跡。7.2 結合力在鉻層與金屬附著狀況檢驗機上進行，活塞環(huán)置于重錘下，錘質(zhì)量為1kg，在距檢查物150mm處自由落下，錘擊端面一次，不得加外力，亦不得重復錘擊一次。合格與否判定方法如下：（1）鉻層與基體鑄鐵均不脫落，合格；（2）鉻層與基體鑄鐵同時脫落，合格；（3）鉻層脫落一層，但仍有鉻與基體鑄鐵粘牢，合格；（4）鉻層從基體鑄鐵全部脫落，不合格。做此檢查時，每一筒活塞環(huán)抽查兩根，只要一根不合格，則這筒活塞環(huán)全部報廢。7.3 硬度鍍層的硬度取決于鍍層金屬的結晶組織，而鍍層的結晶組織又取決于電鍍工藝條件，如溶液成分、溫度、pH、添加劑種類和用量以及電流密度等。由于鍍鉻層較薄，為了消除機體材料對鍍層硬度的影響，鍍層硬度檢驗一般采用顯微硬度法進行。如無另外的規(guī)定鉻鍍層的顯微硬度值不應低于800HV。7.4 孔隙率鉻鍍層的孔隙是