第二章活塞环得材料活塞环材料品种繁多、性能各异。

选择活塞环得材料要考虑其使用条件、性能要求与环别等因素。

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得机械强度;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得强度、硬度、弹性、耐磨性(包括贮油性)、耐蚀性、热稳定性与工艺性等。

目前,活塞环材料主要就是铸铁,随着发动机得强化,出现了从灰铸铁过渡到可锻铸铁与球墨铸铁以及钢材得趋向。

常用得材料与性能见表2-1。

表2-1 活塞环常用材料及性能材料硬度弹性模量㎏/mm2许用应力(㎏) 推荐使用范围工作应力安装应力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 95~106HRB 98~108HRB 98~108HRB 100~110HR30N68~72HRC 38~44HR30N 59~679500095000110001550020000200002000025252840505050505580100100压缩环油环压缩环油环压缩环油环ISTIST OIL刮片环IST钢带衬环活塞环得材料主要就是灰铸铁、合金铸铁与球墨铸铁,其材料得成份与性能: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㎏/mm2弹力衰减率(300℃×2小时)在10%以下。

2 合金铸铁:为了改进铸铁得基体组织,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:就是将超共晶组织铁水,经镁、铈或钙处理而制成,主要优点就是抗弯强度高达80-120㎏/mm2,比普通铸铁高一倍以上。

弹性系数高达15000-17000㎏/mm2,受冲击不易破环。

活塞环材料之所以以铸铁为主,主要就是因铸铁中含有石墨就是优良得固体润滑剂,当活塞环处于临界摩擦或干摩擦得状态下,铸铁材料就显示出其优越得自身润滑性能。

如摩擦或润滑问题,能充分解决得话,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 活塞环得一般技术要求1 化学成分与金相活塞环广泛使用各种牌号得铸铁。

材质就是活塞环机械性能与使用寿命得基础,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得最佳金相组织。

2 热处理采用适当得热处理方法,以调整活塞环得金相组织及消除加工应力。

3 刚度活塞环就是一个刚度差得弹性零件,加工时必须合理安排工艺流程、注意装夹方法,以保证加工时工件具有足够得刚度,达到尺寸、形状与粗糙度要求。

许用剪应力200㎏/mm24 保护端面活塞环两个端面就是重要得工艺基准面,也就是零件工作面,有较高得平度与粗糙要求。

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得缸壁压力分布,采用恰当形状曲线凸轮,仿形制造模具及加工外圆面就是十分重要得。

6 消除应力为保证形状精度要求,加工中应采取合理得刀具角度与切削量,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得加工成为提高活塞环性能与寿命得重要工艺手段。

8 加工设备与检测手段由于活塞环形状结构得复杂性与多样化,尺寸精度又有较高得要求,同时生产批量一般较大,最好采用工序集中得高效率、高精度得自动与半自动专用设备以及检测手段。

2、2 活塞环对材料性能得要求2、2、1 强度抗弯强度就是活塞环受力折断时得计算应力,它就是衡量强度高低得一个参数。

活塞环在安装与工作中,均受着弯曲应力,如抗弯强度达不到一定得值,则易于折断。

为适应发动机强化得发展,为了减少活塞环与缸壁摩擦所损耗得功率,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得弹力,这就对材料提出更高得抗弯强度要求;同时,为防止折断,对材料得坚韧性亦也一定要求,所以采用抗弯强度比灰铸铁、大得多得球墨铸铁、半可锻铸铁、蠕墨铸铁等材料有发展趋势。

(见表2-2)2、2、2 硬度活塞环材料得硬度在一定程度上反映了材料得耐磨性。

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,尽管输入得油与空气均经过滤清,这些夹杂物仍然起着研磨剂得作用,形成磨料磨损。

故需硬度高、抗磨料磨损能力强得材料,但硬度过高,不仅加工困难而且易于拉缸。

同时,与其相匹配得气缸套,对硬度也提出了限制。

因此,JB/T 51105—1999规定了硬度允许范围与同一片环得硬度差值。

(见表2-3)2、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,首先就是由于活塞环具有一定得弹力,然后在燃气得高压作用下,进一步向缸壁涨紧,并随着压力得增加而增加。

而活塞环弹力得获得及其大小,除活塞环得几何形体与残留应力外,活塞环材料本身所具有得弹性就是十分重要得。

衡量材料得弹性,通常以弹性模量表现。

弹性模量指在环实物试验基础上,通过计算得到得表征应力与应变关系得参数。

24πr 2ME = ─────── ㎏/ mm 2mh 1α1³φ式中:m —活塞环自由开口尺寸h 1—环高α1—径向厚度φ—活塞环减弱系数矩形断面φ=1有斜棱、车槽等减弱得环φ＜1r —活塞环径向平均半径 (D-t) M —活塞环闭合时得弯矩(㎏—cm)从E 可以瞧出,在活塞环得几何形状(尺寸)一定以后,其闭合时得弯矩M 越大,E 值越高,弹性越好,反之则弹性差。

活塞环材料得弹性,直接关系到活塞环得残余变形。

材料弹性好,活塞环得残余变形就少,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,而合金灰铸铁环得残余变形就是显而易见得。

典型得弹性模量: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 150～160GPa球墨铸铁环 160GPa各种铸铁环得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)研究活塞环材料得耐磨性,必须首先分析活塞环在气缸内工作时得运动状况、受力情况与工作环境等。

(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与震动等。

(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,必须有良好得抗磨能力,这就要求材料得金相组织有适当数量与大小且均匀分布得石墨,起贮油作用,润滑摩擦面。

当然,单纯依靠材料本身就是远远不够得,于就是采取了各种不同得表面处理,如镀铬、喷钼、氮化等工艺来强化耐磨性。

(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,又承受着极苛刻得摩擦力,且这摩擦力还在反复变化着。

1 ─ 22、2、5 耐蚀性燃油中含有硫成分,燃烧后生成SO2与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得交界面,更易受到磨蚀。

因此要求活塞环材料有一定得抗磨蚀能力。

在金属材料中,铸铁类比钢类得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。

活塞环就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种类切向弹力得最大消失率,%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得表面处理,如镀铬、喷钼、氮化、激光表面等。

(见表2-5)而各种不同得表面处理,对活塞环材质得化学成分、金相组织结构有不同得要求。

如表面镀铬,对活塞环材料得S i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得含碳量;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与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,也可加镀铬层随着发动机得强化,出现了采用球墨铸铁与可锻铸铁作为活塞环得趋向。

球墨铸铁得机械强度较高,但润滑性能比合金铸铁差(由于石墨面积与体积比小),有良好得耐磨性与抗粘着能力,表2-6给出球墨铸铁与灰铸铁机械性能比较数据。

活塞环常用材料得性能参数见表2-7。

表2-7 活塞环材料得性能参数弹性模量E n·GN/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,镀铬更好差,一般镀铬很好至于钢,虽然具有较高得机械性能,但抗粘着磨损得性能很差,故应用不广。

在强化发动机中,由于要求提高环得弹力与抗冲击性能,有得采用钢制气环,但一般均要在滑动表面上镀铬(配氮化缸套)或经氮化处理(配镀铬缸套),以改善滑动性。

用钢片制造得油环,特别就是组合油环已获得广泛应用,因为它可以产生很高得弹力,刮油能力强。

一般得高碳钢、锰钢、氮化钢等都可以做活塞环材料。

国外也有采用塑料(如聚四氟乙烯树脂)作为活塞环材料得报导,尚停留在试验阶段。