活塞環(huán)的材料

1、第二章 活塞環(huán)的材料活塞環(huán)材料品種繁多、性能各異。選擇活塞環(huán)的材料要考慮其使用條件、性能要求和環(huán)別等因素。一般說內(nèi)燃機活塞環(huán)材料應滿足下列要求；1 在高溫下具有足夠高的機械強度；2 耐磨且摩擦系數(shù)小；3 不易產(chǎn)生粘著，容易磨合；4 加工方便，價格便宜。這樣，就要求活塞環(huán)材料應具有一定的強度、硬度、彈性、耐磨性（包括貯油性）、耐蝕性、熱穩(wěn)定性和工藝性等。目前，活塞環(huán)材料主要是鑄鐵，隨著發(fā)動機的強化，出現(xiàn)了從灰鑄鐵過渡到可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵以及鋼材的趨向。常用的材料和性能見表2-1。表2-1 活塞環(huán)常用材料及性能材料硬度彈性模量/mm2許用應力（）推薦使用范圍工作應力安裝應力灰鑄鐵合金鑄鐵亞共晶鑄鐵

2、球墨鑄鐵碳鋼馬氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼HRB 95106HRB 98108HRB 98108HRB 100110HR30N6872HRC 3844HR30N 5967950009500011000155002000020000200002525284050許用剪應力200/mm25050505580100100壓縮環(huán) 油環(huán)壓縮環(huán) 油環(huán)壓縮環(huán) 油環(huán)ISTIST OIL刮片環(huán)IST鋼帶襯環(huán)活塞環(huán)的材料主要是灰鑄鐵、合金鑄鐵和球墨鑄鐵，其材料的成份和性能：1 灰鑄鐵：其化學成份按活塞環(huán)尺寸大小、鑄造方法而變化。含C:3.5-3.75% Si：2.2-2.75% Mn：0.6-0.8% P：0.3-0.

3、8% S：小于0.10%。含少量鉻、鉬或釩等合金元素，其性能、抗彎強度30/2以上，硬度 HRB94-107，彈性系數(shù)8000-11000/mm2彈力衰減率（300×2小時）在10%以下。2 合金鑄鐵：為了改進鑄鐵的基體組織，在鐵水中另加鉻、鈦、鎢、釩、銅、鎳等元素即為合金鑄鐵。其硬度比灰鑄鐵高、耐熱性好、彈力衰退小等優(yōu)點。3 球墨鑄鐵：是將超共晶組織鐵水，經(jīng)鎂、鈰或鈣處理而制成，主要優(yōu)點是抗彎強度高達80-120/mm2，比普通鑄鐵高一倍以上。彈性系數(shù)高達15000-17000/mm2，受沖擊不易破環(huán)?；钊h(huán)材料之所以以鑄鐵為主，主要是因鑄鐵中含有石墨是優(yōu)良的固體潤滑劑，當活塞環(huán)處

4、于臨界摩擦或干摩擦的狀態(tài)下，鑄鐵材料就顯示出其優(yōu)越的自身潤滑性能。如摩擦或潤滑問題，能充分解決的話，鋼材也可以用來制造活塞環(huán)，近年來還發(fā)展半可鍛鑄鐵材料。2.1 活塞環(huán)的一般技術要求1 化學成分與金相活塞環(huán)廣泛使用各種牌號的鑄鐵。材質(zhì)是活塞環(huán)機械性能與使用壽命的基礎，因此在規(guī)定范圍內(nèi)合理調(diào)整材料成分比例、嚴格控制造型與澆鑄工藝來確?；钊h(huán)具有符合設計要求的最佳金相組織。2 熱處理采用適當?shù)臒崽幚矸椒?，以調(diào)整活塞環(huán)的金相組織及消除加工應力。3 剛度活塞環(huán)是一個剛度差的彈性零件，加工時必須合理安排工藝流程、注意裝夾方法，以保證加工時工件具有足夠的剛度，達到尺寸、形狀與粗糙度要求。4 保護端面活塞環(huán)

5、兩個端面是重要的工藝基準面，也是零件工作面，有較高的平度與粗糙要求。在加工流程中應注意清潔、保護端面、防止碰傷。5 型線設計為保證活塞環(huán)具有合理的缸壁壓力分布，采用恰當形狀曲線凸輪，仿形制造模具及加工外圓面是十分重要的。6 消除應力為保證形狀精度要求，加工中應采取合理的刀具角度與切削量，以減少加工殘留應力，并采用熱處理方法消除應力。7 性能與壽命各種表面處理與處理前后的加工成為提高活塞環(huán)性能與壽命的重要工藝手段。8 加工設備與檢測手段由于活塞環(huán)形狀結(jié)構(gòu)的復雜性與多樣化，尺寸精度又有較高的要求，同時生產(chǎn)批量一般較大，最好采用工序集中的高效率、高精度的自動與半自動專用設備以及檢測手段。2.2 活塞

6、環(huán)對材料性能的要求2.2.1 強度抗彎強度是活塞環(huán)受力折斷時的計算應力，它是衡量強度高低的一個參數(shù)?；钊h(huán)在安裝和工作中，均受著彎曲應力，如抗彎強度達不到一定的值，則易于折斷。為適應發(fā)動機強化的發(fā)展，為了減少活塞環(huán)與缸壁摩擦所損耗的功率，在設計時，往往要求活塞環(huán)高度盡可能薄，但同時又要保證活塞環(huán)有足夠的彈力，這就對材料提出更高的抗彎強度要求；同時，為防止折斷，對材料的堅韌性亦也一定要求，所以采用抗彎強度比灰鑄鐵、大得多的球墨鑄鐵、半可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵等材料有發(fā)展趨勢。（見表2-2）表2-2種類抗彎強度 MPa單體鑄造活塞環(huán)392450筒體鑄造活塞環(huán)480520可鍛、半可鍛鑄鐵環(huán)600950球墨

7、鑄鐵環(huán)90013002.2.2 硬度活塞環(huán)材料的硬度在一定程度上反映了材料的耐磨性?；钊h(huán)工作時，它與氣缸壁摩擦面之間不可避免地會有夾雜物，盡管輸入的油和空氣均經(jīng)過濾清，這些夾雜物仍然起著研磨劑的作用，形成磨料磨損。故需硬度高、抗磨料磨損能力強的材料，但硬度過高，不僅加工困難而且易于拉缸。同時，與其相匹配的氣缸套，對硬度也提出了限制。因此，JB/T 511051999規(guī)定了硬度允許范圍和同一片環(huán)的硬度差值。（見表2-3）表2-3種 類硬 度同一片環(huán)上的硬度差合金鑄鐵環(huán)環(huán)直徑150 mm環(huán)直徑150 mm98108 HRB94105 HRB3 HRB可鍛、半可鍛鑄鐵環(huán)及球墨鑄鐵環(huán)98110 HR

8、B按產(chǎn)品圖樣規(guī)定鋼環(huán)經(jīng)淬火、回火處理的環(huán)冷軋材料環(huán)不銹鋼環(huán)400580HV367 HV或按產(chǎn)品圖案規(guī)定按產(chǎn)品圖樣規(guī)定40 HV2.2.3 彈性眾所周知，活塞環(huán)之所以能在氣缸內(nèi)能起密封作用，首先是由于活塞環(huán)具有一定的彈力，然后在燃氣的高壓作用下，進一步向缸壁漲緊，并隨著壓力的增加而增加。而活塞環(huán)彈力的獲得及其大小，除活塞環(huán)的幾何形體和殘留應力外，活塞環(huán)材料本身所具有的彈性是十分重要的。衡量材料的彈性，通常以彈性模量表現(xiàn)。彈性模量指在環(huán)實物試驗基礎上，通過計算得到的表征應力與應變關系的參數(shù)。24r2ME = / mm2 mh11³式中：m活塞環(huán)自由開口尺寸h1環(huán)高1徑向厚度活塞環(huán)減弱系數(shù)

9、 矩形斷面=1 有斜棱、車槽等減弱的環(huán)112r活塞環(huán)徑向平均半徑 （D-t）M活塞環(huán)閉合時的彎矩（cm）從E可以看出，在活塞環(huán)的幾何形狀（尺寸）一定以后，其閉合時的彎矩M越大，E值越高，彈性越好，反之則彈性差?；钊h(huán)材料的彈性，直接關系到活塞環(huán)的殘余變形。材料彈性好，活塞環(huán)的殘余變形就少，從實踐檢驗可以知道某些材料如合金球墨鑄鐵環(huán)、合金蠕墨鑄鐵環(huán)幾乎沒有殘余變形，而合金灰鑄鐵環(huán)的殘余變形是顯而易見的。典型的彈性模量：合金鑄鐵環(huán)：單體鑄造環(huán) 95GPa 筒體鑄鐵環(huán) 115GPa可鍛、半可鍛鑄鐵環(huán) 150160GPa球墨鑄鐵環(huán) 160GPa 各種鑄鐵環(huán)的彈性模量均在相應材料典型模量±15

10、 GPa以內(nèi)鋼 環(huán) 200GPa2.2.4 耐磨性（包括貯油性） 研究活塞環(huán)材料的耐磨性，必須首先分析活塞環(huán)在氣缸內(nèi)工作時的運動狀況、受力情況和工作環(huán)境等。（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)槽作旋轉(zhuǎn)運動和震動等。（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，必須有良好的抗磨能力，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。當然，單純依靠材料本身是遠遠不夠的，于是采取了各種不同的表面處理，如鍍鉻、噴鉬、氮化等工藝來強化耐磨

11、性。（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)本身外圓受漲應力，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。2.2.5 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)有腐蝕性作用，特別對金屬顯微結(jié)構(gòu)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。2.2.6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

12、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。熱穩(wěn)定性應符合表2-4規(guī)定。表2-4種 類切向彈力的最大消失率，%整體環(huán)合金鑄鐵（包括碳化物鑄鐵） 12可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、鋼 8撐簧油環(huán)非耐熱鋼 25耐熱鋼 12鋼帶組合油環(huán)非耐熱鋼 30耐熱鋼 152.2.7表面處理性為了提高活塞環(huán)耐磨性，必須對其進行各種不同的表面處理，如鍍鉻、噴鉬、氮化、激光表面等。（見表2-5）而各種不同的表面處理，對活塞環(huán)材質(zhì)的化學成分、金相組織結(jié)構(gòu)有不同的要求。如表面鍍鉻，對活塞環(huán)材料的Si含量應在2.8%以下，石墨應以細小且分布均勻為宜，其量也不能過多，否則將會嚴重影響其結(jié)合強度；又如激光表面淬火，要求活塞

13、環(huán)材料有較高的含碳量；氮化、噴涂等均有不同要求。表2-5 活塞環(huán)鍍層鍍層環(huán)磨損抗咬合性氣缸磨損注解電鍍鉻噴鉻噴鉬噴碳化鎢氧化鐵磷化鍍銅極好很好一般極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極好很好一般一般好好很好應用最廣對氣缸磨損性能變化大隨著溫度升高和時間延長而損壞特別溫度超過250主要用于磨合主要用于磨合，也可加鍍鉻層隨著發(fā)動機的強化，出現(xiàn)了采用球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵作為活塞環(huán)的趨向。球墨鑄鐵的機械強度較高，但潤滑性能比合金鑄鐵差（由于石墨面積與體積比?。辛己玫哪湍バ院涂拐持芰?，表2-6給出球墨鑄鐵與灰鑄鐵機械性能比較數(shù)據(jù)。表2-6 球墨鑄鐵與灰鑄鐵的機械性能比較 材 料性 能灰口鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵（針狀組織）彈性模數(shù)（MPa）抗彎強度（MPa）硬 度 HRB950003509510715000010001001071600001000HRC3545活塞環(huán)常用材料的性能參數(shù)見表2-7。表2-7 活塞環(huán)材料的性能參數(shù)彈性模量En·GN/m2抗拉強度MN/m2硬度BHN疲勞值磨損率抗咬合性灰鑄鐵可鍛合金鑄鐵可鍛/球墨鑄鐵燒結(jié)鑄鐵83-124140-160155-165120230-310400-580540-820250-390210-310250-320200-440130-150一般好/很好極好好好極好差，一般鍍鉻好很好/極好好，鍍鉻更好差