活塞环材料.doc

活塞环材料1.活塞环材料的变化 灰铁、球铁是活塞环材料的主流。发动机朝高功率、高转速、薄环化、轻量化、高强度发展，开始用钢质材料。图6.1活塞环的变迁（压缩环）图6.1表明压缩环的结构尺寸，表面处理，材料的历史变迁。图6.2表明油环结构尺寸，表面处理，材料的历史变迁。（帝国活塞环公司1987年由马氏体不锈钢经特殊氮化GT处理，寿命为镀铬环的2-3倍，改为h1=2.5的I型氮化油环PVD涂层）。由上可知活塞环的主要材料：灰铸铁；球墨铸铁；碳素钢，硅铬钢；马氏体不锈钢。2.活塞环材料的要求2.1机械性能 为了满足环的密封、控油、导热、支承功能，材料的E值为80-200GPa环应使自由开口能达到8a1以上，马氏体不锈钢气体氮化应力过大，加上脆性环有可能折断，钢的E值为200Gpa（译注；宜2061200Mpa）。 球铁的抗弯强度为灰铸铁的2倍以上，800-1200Mpa 球铁环的抗弯强度计算公式为 =式中环的弯曲应力值（环被拉断时在环背处的最大应力）Mpa;F: 与环开口端呈90直径方向拉断环时的力N；d1:基本直径mm h1环高mm a1径向厚度环抗弯强度测量方法参见图6.3，疲劳强度与表面处理有关，镀铬由于逆残留应力使疲劳强度下降，氮化则由于残留应力提高了材料的疲劳强度。图6.3活塞环抗弯强度测定方法。2.2滑动特性（1）耐磨性、基准材料的摩损 摩擦相当复杂，相关因素有：摩擦付摩擦面材质，表面状况，运转条件，摩擦气氛等。环的耐磨性应考虑到：环在缸套内往复运动，有运动方向及速度的变化，燃气压力和摩擦力的变化。环承受高温高压。上死点，下死点附近润滑的供给不足，容易产生边界润滑摩擦。近年由于活塞温度升高，顶环位置上迁，环槽温度升高，活塞的环槽，顶环侧面磨损加速，应考虑提高环侧面耐磨性。环滑动面的表面加工精度，热变形，工作状态时环的密封程度，初期磨损的补偿等。 目前环表面有：无表面处理（依靠材质本身耐磨性），电镀、氮化、PVD等，近年来氮化（包括侧面氮化）应用较多。（2）耐熔着磨损性 当环运转到上死点附近，较易发生供油不足而形成边界润滑摩擦，产生高温使摩擦付形成局部金属间的接触，磨耗量增大。当发生滑动面有一方局部达到熔点时产生熔着磨损，为此要保证油膜不中断，为摩擦面提供各种（有关的）表面处理层避免熔着磨损。 一般铸铁的耐熔着磨损性优于钢。铸铁中的石墨本身具有润滑性，石墨具有保油性，当润滑供应不足时可发挥石墨的润滑作用。 片状石墨铸铁的耐熔着磨损性优于球墨铸铁，石墨均匀分布，石墨间距较小的耐熔着磨损性较好。（3）耐蚀性 燃料中含S燃料产生SOX，低温运转由燃烧过程中的水蒸汽与SOX反应生成亚硫酸，起腐蚀作用，要求活塞环材料有一定的耐蚀性。2.3热稳定性 环在高温高燃气压下工作，会造成部分弹力消失，JISB8032规定了切向弹力消失率和试验条件。（译者注：参见ISO6621/5-1988或GB/T1149.4-94中的5.3）。 一般铸铁环采用实验温度为300（译者注；时间为3或5小时）规定与常温比较切向弹力的最大消失率不大于规定值。3.活塞环材料分论3.1钢（1）活塞环材料（滑动材料） 活塞环钢材料主要有：碳素钢、硅铬钢，马氏体不锈钢。它们能满足环的机械强度、侧面耐磨性、耐热性、热传导性、良好的加工性。马氏体不锈钢材质硬度HV在400以上。 一般使用温度较低的采用碳素钢；温度较高的采用硅铬钢。（a）碳素钢 （b）碳素钢 （c）硅铬钢（JISSWRH77B） （JISSWRH72A） （JISSWOSC-V）（a）含cr13% (b)含cr17%图6.4炭素钢、硅铬钢的金相组织 图6.5马氏体不锈钢金相组织炭素钢、硅铬钢的金相组织参见图6.4，马氏体不锈钢的金相组织参见图6.5。马氏体不锈钢经氮化具有高耐磨性，材料含铬量分13%和17%两种，马氏体不锈钢含碳较高的碳化物数量较多，耐磨性提高。（2）衬环 钢带组合油环由一片衬环和两片刮片环组成，刮环选用一定尺寸的线材绕制，衬环形状较复杂，要求材料塑性要好。(6)奥氏体不锈钢的金相组织现在采用JIS SUS201、SUS304、SUS631等奥氏体不锈钢材质经盐浴氮化做衬环。图6.6为奥氏体不锈钢金相组织，其中（a）为SUS201；（b）为sus304.螺旋撑簧油环有I型环体及撑簧组成。其材料为JISSWPA77的碳素钢线材、硅铬钢swosc-v。奥氏体不锈钢sus304加工并经表面盐浴氮化制成。2件组合波形板簧热负荷较高，材料采用硅铬钢、sus(304)。（译者注：钢质材料参见6.4.1（1）（2）。3.2灰铸铁 铸铁材料强度较低，耐熔着磨损性能优于钢，机械加工性能良好。铸铁的耐腐蚀性与石墨基体组织有关。石墨有自润滑性，在供油不足时能发挥石墨的自润滑作用。（a）石墨 (b)基体组织 （c）珠光体石墨按ASTM（美国材料试验学会标准）要求为A型（片状石墨均匀分布）石墨量多，尺寸大则强度、弹性模量低，一般灰铸铁环的E值为80-120GPa。环的金相组织决定于化学成分、铁水的冷却速度，与铸造工艺、与环的铸造方法-单体铸造、筒体铸造、离心铸造有关。灰铸铁的金相组织参见图6.7。其中（a）石墨、(b)基体组织、（c）珠光体基体。 由于汽车环的薄型化，灰铁强度就不足，球铁得到应用，灰铁用量受到限制。3.3球墨铸铁（a）石墨 (b)基体 （c）回火组织1947年，过共晶铁水经球化处理制成球铁，在当时条件下铁水经脱硫去磷是必要的，再经球化才能得到较好的球铁。 球铁讲究球墨细小、量多（译者注：即球墨密度大），均匀分散分布，经热处理进一步提高材质性能。 铜等合金元素的加入改善球铁的强度及耐磨性。 球铁环的铸造方法与灰铁环的一样（译者注：指单体、筒体、离心铸造）。球铁环的金相组织参见图6.8，其中（a）石墨、（b）基体、（c）回火组织。 球铁E值高达150-170GPa。强度高于薄环，其表面处理主要有镀铬，喷镀等。4.日本活塞环三大公司的实用材料4.1钢（1）碳素钢，低合金（硅铬）钢（见下页）（2）不锈钢（见下页）4.2铸铁 （1）灰铸铁 化学成分 %表面处理用途csiMmpscr3.2-4.01.7-3.20.4-1.00.2-0.60.12以下0.5以下镀铬，不镀压缩环、油环（1）炭素钢、低合金（硅铬）钢成分%JIS相当钢种SWRH77BJIS相当钢种SWRH72-82JIS相当钢种SWOSC-VCSiMnPSCr0.74-0.810.15-0.350.60-0.900.03以下0.03以下0.69-0.860.15-0.350.30-0.600.03以下0.03以下0.50-0.601.20-1.600.50-0.800.035以下0.04以下0.50-0.80表面处理镀铬镀铬镀铬用途2件组合油环压缩环三片组合油环刮环压缩环2件组合油环的波形板簧压缩环（2）不锈钢奥氏体系马氏体系成分%JIS相当钢种SUS201JIS相当钢种SUS304JIS相当钢种SUS631JIS相当钢种SUS420J2JIS相当钢种SUS440BC0.15以下0.08以下0.09以下0.60-0.700.80-0.95Si1.00以下1.00以下1.00以下0.25-0.500.15-0.50Mn5.50-7.502.00以下1.00以下0.20-0.500.25-0.40P0.060以下0.045以下0.040以下0.030以下0.040以下S0.030以下0.030以下0.030以下0.030以下0.040以下Cr16.0-18.018.0-20.016.0-18.013.0-14.017.0-18.0MO0.20-0.400.70-1.25V0.07-0.15Ni3.5-5.58.0-10.56.50-7.75其它N0.25以下AI0.75-1.5表面处理盐浴氮化不处理盐浴氮化不处理盐浴氮化气体氮化气体氮