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表面技术课程设计内燃机活塞环耐磨工艺设计学号 3090702040，班级 金属0902，材料科学与工程学院第一章 服役条件分析1.1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，因而还有沿环槽的旋转运动和震动等。 图1 活塞环 图2 活塞环工作环境1.2 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，必须有良好的抗磨性能，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。1.3 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拉应力，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。第二章 活塞环镀层所需性能2.1 耐磨性（包括贮油性）一般认为活塞环最好不磨损，或者磨损量愈小愈好。但是实际上，活塞环的磨损却是实现活塞环性能所必不可少的一种现象。与之相反，如果绝无磨损，活塞环就不能与气缸完全贴合，则气密作用、导热作用就难以确保。所以在新组装活塞时，为了加速初期磨合，就要求要求容易初期磨损的活塞环。总之，从活塞环的磨损性来看，这是相互矛盾的两个方面，既要满足初期磨合时的易磨性，又耍满足长期运转时的耐磨性，这是活塞环材料要求上的一个特点。2.2 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，对活塞环有腐蚀作用，特别是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。 2.3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。高温对环的影响首先表现弹力的衰退，即活塞环的热稳定性变差。我国规定，活塞环放在相当于气缸最大直径的环规内，在35010温度下保温1小时，弹力的消失不大于25。我国铁路部门规定：活塞环放在规定的量规内，在350士10温度下保温1小时，其弹力消失不大于15%。第三章 活塞环镀层工艺选择与制定3.1 镀铬处理铬是略带蓝色的银白色金属，易在空气中钝化，与碱液、硝酸、硫酸、硫化物以及许多有机酸都不发生反应。镀铬层有很高的硬度和很强的耐磨性，同时还具有很强的耐热性能，在空气中加热到500，其外观和硬度无明显变化。铬的标准电极电位比铁负，但由于钝化作用它的电极电位比铁正，因此对钢铁镀件来说铬镀层属于阴极性镀层。3.2 镀锡处理活塞环用电解法所获得的锡层，有很高的化学稳定性，在潮湿空气的作用下不会被氧化，但与各种稀酸类有轻微反应。镀锡层柔软而耐磨性不好，因其具有优良的减磨作用，故经镀锡处理的活塞环在走合运转期间不会拉缸。又因镀锡层易于磨损，有利于初期磨合，所以如欲缩短走合期，可采用镀锡。无论在什么情况下，镀锡层的厚度均在0.0050.01mm之间，不可太厚。3.3 磷化处理磷化处理是一种在钢铁表面上形成多孔性磷酸锰或磷酸锌以及磷酸铁薄膜的工艺。磷化膜是由一系列大小不同的晶体所组成, 在晶体的连结点上形成细小裂纹的多孔结构, 这种多孔的晶体结构使活塞环表面具有吸附保油性、耐蚀性及减磨性, 它本身易于磨损, 对活塞环起到防锈及易于初期磨合的作用。磷化处理所需设备简单，操作方便，成本低，生产效率高。3.4 工艺选择本次设计采用松孔镀铬处理。铬在常用金属中硬度最高，不断改进镀铬工艺的添加剂，HV值已提高到900以上，耐磨性较好；摩擦系数低，活塞环磨损小；熔点高（1890），耐熔着磨损性好；镀铬件售价比镀锡减低10%左右，表面附着力强（适镀锡件的34倍），还具有良好的耐热性能、高抗硫性能和高抗碱性能。镀铬层表面的润油性很差，尤其是承受高压、高速和高温等恶劣条件下工作的活塞环，容易造成干摩擦的状态，因而活塞环的使用寿命显著下降。为了提高镀层表面的润湿性能，采用松孔镀铬的方法。松孔铬亦称网纹铬。为了改善在摩擦状态下铬镀层的工作条件对已有的铬镀层进行松孔处理，使铬层原有的网状裂纹加深和加宽，这样的铬层具有吸油性，从而增加铬镀层的耐磨性。镀硬铬与松孔镀铬的磨损情况，一般在低负荷下二者大致是相同的。但负荷超过200MPa时，松孔铬层的磨损量要比硬格层的磨损量小得多。镀松孔铬处理有三种方法：（1）机械法 在经过喷砂和磨光的基体表面上，用滚压工具使基体表面压成圆锥或角锥的小坑，镀铬后表面保留这些小坑。这种方法较简单，易于控制，但与润滑油的附着性能不够理想。（2）化学法 在镀铬的表面上，用盐酸处理，使镀铬层原有的裂纹和空隙加以扩大和加深。这种方法铬层损耗多，且溶解难于均匀。（3）电化学法 活塞环经镀耐磨铬后，进行阳极松孔处理，是耐磨层上原有的浅窄网状裂纹扩大和加深，镀层表面就产生贮存润滑油的功能，提高活塞环的抗磨性能。此次设计即采用此法。第四章 工艺流程研磨锁口封铅汽油清洗冷水洗电化学除油热水洗冷水洗化学腐蚀镀铬冷水洗热水洗干燥除氢(热处理) 研磨冷水洗松孔冷水洗热水洗镀层检验第五章 各工序的作用5.1 研磨用于消除圆环外表面加工缺陷（划痕、擦伤、压痕等）和铸造缺陷。研磨时间为：镀铬前1525min,镀铬后为2535min可研好。机加工时应注意，圆角的大小一定要保持均匀，没有任何可见的划痕，否则在镀铬时会出现很多的铬瘤，最后造成气孔而使活塞环报废。5.2 锁口铅封为了防止锁口处的铬层过厚和生飞刺，活塞环在装到芯棒上后镀铬前锁口内应用铅封住。开始用熔化的铅灌满锁口的缝隙中，待铅冷却后用软钢小刀将多余的铅削去。这个方法较为复杂，同时在用小刀削平时也容易将活塞环划伤。现在多采用软铅嵌入锁口的缝隙内（铅片的厚度根据活塞环锁口间隙的大小而定）用铜锤打紧，然后用小刀削去多余的铅。这样，操作起来既简单又节省时间。5.3 汽油清洗利用汽油能溶解油脂的特点，除去黏附在活塞环表面上的矿物油脂。除油的方法是把活塞环放在盛有溶剂的槽内，用刷子蘸溶剂擦刷活塞环表面。汽油除油的优点是速度快、操作方便、不腐蚀零件。其缺点是除油不彻底、因为溶剂挥发后。零件表面会留下一层极薄的油膜。所以必须补充除油，可用手工刷洗、化学除油或电化学除油，一般操作场所要装排风机，过去应用不广。但随着除油设备不断改进，使用过的溶剂可蒸馏再生，设备也基本密封，增加了安全囊可靠性，降低厂成本，有机溶剂除锈的应用就日益增多了。5.4 电化学除油电化学除油也叫电解除油，是在电流作用下，将活塞环作为阴极或阳极、置于碱性镕液进行电解，从而除去油污。电化学除油时，除了有化学除油的皂化与乳化作用外，还在电流作用下，便零件表面析出氢气或氧气。它们的气泡逐渐变大，将薄膜从内部撕裂带到液面上，并对溶液起到搅拌作用，加速丁油污脱离零件表面的速度。所以，电化学除油比化学除油更有效。为了彻底去除活塞环表面的油脂，保证最精细的表面清理。除油时活塞环放在阴极上，阳极用不锈钢板或镀镍的铁板，阳极不应溶解。5.5 化学腐蚀在腐蚀前除油以后，活塞环表面上发现暗色或小斑点，经腐蚀后暗色或小斑点消除，但是活塞环表面发现有石墨黑点，用维也纳石灰刷洗将石墨黑点去掉了。所以弱腐蚀后必须要用维也纳石灰刷洗，一方面作为补充除油，另一方面去掉金属表面上残余的石墨痕迹，以提高铬和铸铁的结合强度。5.6 除氢热处理主要是使大部分残留氢气排出，减少工件的脆性，提高其疲劳强度。同时，热处理还能改善镀层与基体金属之间的结合性，当基体金属承受压力变形时，镀层有良好的变形适应性，不至于发生剥落现象。通常在180200干燥箱中除氢1.52h。5.7 松孔硬铬镀层的优点是表面硬而致密平滑，这样的性质有利于具有较好的耐磨性，在硬铬层表面虽然也有裂纹，但深度和宽度都不大。无法贮藏润滑油，因而润滑性差。而在苛刻条件下使用的镀层，如随着重负荷机械摩擦的活塞环，必须有良好的润滑性，以减小摩擦系数。因此采用松孔处理，以提高零件的使用寿命。第六章 工艺配方及工艺参数分析6.1 前处理6.1.1 电化学除油配方及各组分作用表1 电解除油溶液配方及参数NaOH3040 g/L电流密度57 A/dm2Na2CO32030 g/LNa3PO42040 g/L时间铸铁：在阴极35min在阳极0.51.5min钢： 12minNa2SiO312H2O13 g/L温度7090氢氧化钠（NaOH） 除油溶液的主要成分，直接参与除油过程的化学反应，由于氢氧化钠的碱性极强，对金属有一定的氧化和腐蚀作用。碱含量高时，皂化作用强，但过高时润湿性差，不易清洗干净，因此对除油不利。碳酸钠（Na2CO3） 除油溶液中的主要成分，碳酸钠溶于水后，即发生水解反应，生成的氢氧化钠与油脂发生皂化反应除去油污，碳酸钠在除油溶液中起到补充所消耗的氢氧化钠的作用，并对溶液的PH值起到缓冲作用（PH8.5时，皂化反应不能进行，PH10.2时，皂化物水解）。磷酸三钠（Na3PO4） 一、水解，生产的氢氧化钠参与除油的皂化反应；二、磷酸三钠润湿性好，对油脂有一定的乳化作用，容易清洗干净。但磷酸盐能促进水中微生物大量繁殖，将大量消耗水中的氧，影响水生生物的生存，破坏生态平衡。废水排放受到限制，现已普遍提供无磷型除油剂。硅酸钠（Na2SiO310H2O） 一、偏硅酸钠对油脂的乳化作用较强，可除去不能发生皂化反应的矿物油脂；二、是偏硅酸钠的分子能在零件表面形成薄膜，保护表面免受氢氧化钠的腐蚀。6.1.2 化学腐蚀铸铁活塞环在3%6%的氢氟酸溶液中进行弱腐蚀，时间为1030s。6.2 镀铬处理6.2.1 镀铬处理配方表2 电镀铬处理配方及工艺参数成分含量温度5055CrO3220270电流密度3050 A/dm2H2SO41.82.7时间3.54.5hCr3+1.56镀层厚度0.170.20mm6.2.2 配方中各组分作用及参数确定6.2.2.1 铬酐（CrO3）铬酐的水溶液是铬酸，是镀铬层的唯一来源。铬酐浓度可以在很大范围内变动。铬酐的浓度对镀液的电导率起决定作用，每一个温度下都有一个相应于最高电导率的过铬酐浓度；镀液温度升高，电导率最大值随铬酐浓度增加想稍高的方向移动。因此，单就电导率而言，宜采用铬酐浓度较高的镀铬液。但采用高浓度镀铬液，由于随活塞环带出损失严重，一方面造成材料的无谓消耗，同时还对环境造成一定污染。故一般生产上采用的铬酐浓度为150400g/L。6.2.2.2 硫酸根（SO42-）硫酸根在电镀液中起催化作用当SO42-含量过高时，对胶体膜的溶解作用强，基体露出的面积大，真实电流密度小，阴极极化小，得到的镀层不均匀，有时发花，特别严重时还可能露出基体金属。硫酸的含量主要取决于铬酐与硫酸的比值一般控制在CrO3/SO42-=（80100）：1，最佳值为100：1。6.2.2.3 三价铬（Cr3+）镀铬液中Cr6+离子在阴极还原产生Cr3+与此同时在阳极上被氧化，三价铬浓度很快达成平衡，平衡浓度取决于阴阳极面积比。Cr3+离子是阴极形成胶体膜的主要成分，只有当镀液中含有一定量的Cr3+时，铬的沉积才能正常进行。当Cr3+的含量偏高时，可用小面积的阴极和大面积的阳极，保持阳极电流密度为11.5 A/dm2电解处理，处理时间视Cr3+含量而定，镀液温度为5060时，效果最好。6.2.2.4 温度和电流密度当电流密度不变时，电流效率随温度升高而下降；若温度固定，则电流效率随电流密度的增大而增加。然而，当CrO3/SO42值减小时，变化相应变小，因此通常采用较低的温度和较高的阴极电流密度。6.3 松孔处理松孔处理可在同一镀液中进行，将活塞环接阳极，铬镀层受逆向电流的作用。开始的1.52min，用电流冲击，电流密度为正常阳极的2倍，以除去铬上面的氧化薄膜。表3 松孔处理工艺参数温度电流密度处理时间松孔厚度5045 A/dm21011min0.040.05mm第七章 镀层检验7.1 外观镀层松孔处理后根据网纹的粗细程度不同，可呈亮灰色至淡灰色。结晶应细致，均匀。允许缺馅：轻微的水印；由于零件材质不均和表面状态不同，同一零件上有均匀的颜色和光泽；在零件的边、棱角处有轻微的粗糙，但不影响零件的装配；镀铬后尚需磨加上的铬镀层，有经过磨加上能排除掉缺陷(如粗糙、针孔等)。不允许缺陷：粗糙、烧焦、起泡、脱落；树枝状结晶；局部无镀层(技术文件规定处除外)；未 图3 镀层的储油网纹 洗净的铬酐前迹。7.2 结合力在铬层与金属附着状况检验机上进行，活塞环置于重锤下，锤质量为1kg，在距检查物150mm处自由落下，锤击端面一次，不得加外力，亦不得重复锤击一次。合格与否判定方法如下：（1）铬层与基体铸铁均不脱落，合格；（2）铬层与基体铸铁同时脱落，合格；（3）铬层脱落一层，但仍有铬与基体铸铁粘牢，合格；（4）铬层从基体铸铁全部脱落，不合格。做此检查时，每一筒活塞环抽查两根，只要一根不合格，则这筒活塞环全部报废。7.3 硬度镀层的硬度取决于镀层金属的结晶组织，而镀层的结晶组织又取决于电镀工艺条件，如溶液成分、温度、pH、添加剂种类和用量以及电流密度等。由于镀铬层较薄，为了消除机体材料对镀层硬度的影响，镀层硬度检验一般采用显微硬度法进行。如无另外的规定铬镀层的显微硬度值不应低于800HV。7.4 孔隙率铬镀层的孔隙是