活塞環的材料

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活塞環的材料簡介
活塞環材料品種繁多、性能各異。選擇活塞環的材料要考慮其使用條件、性能要求和環別等因素。一般說內燃機活塞環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 耐磨且摩擦係數小;……
活塞環的材料正文

活塞環材料品種繁多、性能各異。選擇活塞環的材料要考慮其使用條件、性能要求和環別等因素。一般說內燃機活塞環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 耐磨且摩擦係數小;
3 不易產生粘著,容易磨合;
4 加工方便,價格便宜。
這樣,就要求活塞環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、熱穩定性和工藝性等。目前,活塞環材料主要是鑄鐵,隨著發動機的強化,出現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    活塞環常用材料及性能
材料
硬度
彈性模量
?/mm2
許用應力(?)
推薦使用範圍
工作應力
安裝應力
灰鑄鐵
合金鑄鐵
亞共晶鑄鐵
球墨鑄鐵
碳鋼
馬氏體不鏽鋼
奧氏體不鏽鋼
HRB 95~106
HRB 98~108
HRB 98~108
HRB 100~110
HR30N68~72
HRC 38~44
HR30N 59~67
95000
95000
11000
15500
20000
20000
20000
25
25
28
40
50

許用剪應力200?/mm2
 
50

50
50
55
80
100
100
壓縮環 油環
壓縮環 油環
壓縮環 油環
IST
IST OIL刮片環
IST
鋼帶襯環
活塞環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:0.3-0.8% S:小於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,彈性係數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、彈力衰退小等優點。
3 球墨鑄鐵:是將超共晶組織鐵水,經鎂、鈰或鈣處理而製成,主要優點是抗彎強度高達80-120?/mm2,比普通鑄鐵高一倍以上。彈性係數高達15000-17000?/mm2,受衝擊不易破環。
活塞環材料之所以以鑄鐵為主,主要是因鑄鐵中含有石墨是優良的固體潤滑劑,當活塞環處於臨界摩擦或干摩擦的狀態下,鑄鐵材料就顯示出其優越的自身潤滑性能。
如摩擦或潤滑問題,能充分解決的話,鋼材也可以用來製造活塞環,近年來還發展半可鍛鑄鐵材料。
2.1 活塞環的一般技術要求
1 化學成分與金相
活塞環廣泛使用各種牌號的鑄鐵。材質是活塞環機械性能與使用壽命的基礎,因此在規定範圍內合理調整材料成分比例、嚴格控制造型與澆鑄工藝來確保活塞環具有符合設計要求的最佳金相組織。
2 熱處理
採用適當的熱處理方法,以調整活塞環的金相組織及消除加工應力。
3 剛度
活塞環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
為保證活塞環具有合理的缸壁壓力分佈,採用恰當形狀曲線凸輪,仿形製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,加工中應採取合理的刀具角度與切削量,以減少加工殘留應力,並採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後的加工成為提高活塞環性能與壽命的重要工藝手段。
8 加工設備與檢測手段
由於活塞環形狀結構的複雜性與多樣化,尺寸精度又有較高的要求,同時生產批量一般較大,最好採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 活塞環對材料性能的要求
2.2.1強度
抗彎強度是活塞環受力折斷時的計算應力,它是衡量強度高低的一個參數。
活塞環在安裝和工作中,均受著彎曲應力,如抗彎強度達不到一定的值,則易於折斷。為適應發動機強化的發展,為了減少活塞環與缸壁摩擦所損耗的功率,在設計時,往往要求活塞環高度儘可能薄,但同時又要保證活塞環有足夠的彈力,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,所以採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展趨勢。(見表2-2)
表2-2
種類
抗彎強度 MPa
單體鑄造活塞環
392~450
筒體鑄造活塞環
480~520
可鍛、半可鍛鑄鐵環
600~950
球墨鑄鐵環
900~1300
2.2.2硬度
活塞環材料的硬度在一定程度上反映了材料的耐磨性。活塞環工作時,它與氣缸壁摩擦面之間不可避免地會有夾雜物,儘管輸入的油和空氣均經過濾清,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於拉缸。同時,與其相匹配的氣缸套,對硬度也提出了限制。因此,JB/T 51105—1999規定了硬度允許範圍和同一片環的硬度差值。(見表2-3
表2-3
種 類
硬 度
同一片環上的硬度差
合金鑄鐵環
環直徑≤150 mm
 
環直徑>150 mm
98~108 HRB
 
94~105 HRB
 
3 HRB
可鍛、半可鍛鑄鐵環及球墨鑄鐵環
98—110 HRB
按產品圖樣規定
 
經淬火、回火處理的環
冷軋材料環
 
不鏽鋼環
400~580HV
367 HV或按產品圖案規定
按產品圖樣規定
40 HV
2.2.3彈性
眾所周知,活塞環之所以能在氣缸內能起密封作用,首先是由於活塞環具有一定的彈力,然後在燃氣的高壓作用下,進一步向缸壁漲緊,並隨著壓力的增加而增加。而活塞環彈力的獲得及其大小,除活塞環的幾何形體和殘留應力外,活塞環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。彈性模量指在環實物試驗基礎上,通過計算得到的表徵應力與應變關係的參數。

 24πr2M
E = ───────    ?/ mm2
          mh1α1³φ
式中:m—活塞環自由開口尺寸
h1—環高
α1—徑向厚度
φ—活塞環減弱係數
        矩形斷面φ=1
        有斜棱、車槽等減弱的環φ<1 
r—活塞環徑向平均半徑    (D-t
 
M—活塞環閉合時的彎矩(?—cm)
E可以看出,在活塞環的幾何形狀(尺寸)一定以後,其閉合時的彎矩M越大,E值越高,彈性越好,反之則彈性差。
活塞環材料的彈性,直接關係到活塞環的殘餘變形。材料彈性好,活塞環的殘餘變形就少,從實踐檢驗可以知道某些材料如合金球墨鑄鐵環、合金蠕墨鑄鐵環幾乎沒有殘餘變形,而合金灰鑄鐵環的殘餘變形是顯而易見的。
典型的彈性模量:
合金鑄鐵環:單體鑄造環   95GPa
            筒體鑄鐵環   115GPa
可鍛、半可鍛鑄鐵環        150160GPa
球墨鑄鐵環               160GPa
                           各種鑄鐵環的彈性模量均在
   相應材料典型模量±15 GPa以內
鋼 環                        200GPa

 

 隨著發動機的強化,出現了採用球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵作為活塞環的趨向。球墨鑄鐵的機械強度較高,但潤滑性能比合金鑄鐵差(由於石墨面積與體積比小),有良好的耐磨性和抗粘著能力,表2-6給出球墨鑄鐵與灰鑄鐵機械性能比較數據。
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(MPa)
抗彎強度(MPa)
    度  HRB
95000
>350
95~107
150000
>1000
100~107
160000
>1000
HRC35~45
活塞環常用材料的性能參數見表2-7。
表2-7    活塞環材料的性能參數
 
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
燒結鑄鐵
83-124
140-160
155-165
120
230-310
400-580
540-820
250-390
210-310
250-320
200-440
130-150
一般
/很好
極好
極好
差,一般鍍鉻
很好/極好
好,鍍鉻更好
差,一般鍍鉻
很好
 
至於鋼,雖然具有較高的機械性能,但抗粘著磨損的性能很差,故應用不廣。在強化發動機中,由於要求提高環的彈力和抗衝擊性能,有的採用鋼製氣環,但一般均要在滑動表面上鍍鉻(配氮化缸套)或經氮化處理(配鍍鉻缸套),以改善滑動性。用鋼片製造的油環,特別是組合油環已獲得廣泛應用,因為它可以產生很高的彈力,刮油能力強。一般的高碳鋼、錳鋼、氮化鋼等都可以做活塞環材料。
國外也有採用塑料(如聚四氟乙烯樹脂)作為活塞環材料的報導,尚停留在試驗階段。

 

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