活塞环的材料

活塞环材料品种繁多、性能各异。选择活塞环的材料要考虑其使用条件、性能要求和环别等因素。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的机械强度；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的强度、硬度、弹性、耐磨性（包括贮油性）、耐蚀性、热稳定性和工艺性等。目前，活塞环材料主要是铸铁，随着发动机的强化，出现了从灰铸铁过渡到可锻铸铁和球墨铸铁以及钢材的趋向。常用的材料和性能见表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 95~106 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 许用剪应力200㎏/mm2   50	50 50 55 80 100 100	压缩环 油环 压缩环 油环 压缩环 油环 IST IST OIL刮片环 IST 钢带衬环

活塞环的材料主要是灰铸铁、合金铸铁 球墨铸铁，其材料的成份和性能：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， 性系数8000-11000㎏/mm²弹力衰减率（300℃×2小时）在10%以下。2 合金铸铁：为了改进铸铁的基体组织，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 是将超共晶组织铁水，经镁、铈或钙处理而制成，主要优点是抗弯强度高达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，主要是因铸铁中含有石墨是优良的固体润滑剂，当活塞环处于临界摩擦或干摩擦的状态下，铸铁材料就显示出其优越的自身润滑性能。如摩擦或润滑问题，能充分解决的话，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 活塞环的一般技术要求1 化学成分与金相活塞环广泛使用各种牌号的铸铁。材质是活塞环机械性能与使用寿命的基础，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的最佳金相组织。2 热处理采用适当的热处理方法，以调整活塞环的金相组织及消除加工应力。3 刚度活塞环是一个刚度差的弹性零件，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的刚度，达到尺寸、形状与粗糙度要求。4 保护端面活塞环两个端面是要的工艺基准面，也是零件工作面，有较高的平度与粗糙要求。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的缸壁压力分布，采用恰当形状曲线凸轮，仿形制造模具及加工外圆面是十分重要的。6 消除应力为保证形状精度要求，加工中应采取合理的刀具角度与切削量，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的加工成为提高活塞环性能与寿命的重要工艺手段。8 加工设备与检测手段由于活塞环形状结构的复杂性与多样化，尺寸精度又有较高的要求，同时生产批量一般较大，最好采用工序集中的高效率、高精度的自动与半自动专用设备以及检测手段。2.2 活塞环对材料性能的要求2.2.1付抗弯强度是活塞环受力折断时的计算应力，它是衡量强度高低的一个参数。活塞环在安装和工作中，均受着弯曲应力，如抗弯强度达不到一定的值，则易于折断。为适应发动机强化的发展，为了减少活塞环与缸壁摩擦所损耗的功率，在设计时，往往要求溉环高度尽可能薄，但同时又要保证活塞环有足够的弹力，这就对材料提出更高的抗弯强度要求；同时，为防止折断，对材料的坚韧性亦也一定要求，所以采用抗弯强度比灰铸铁、大得多的球墨铸铁、半可锻铸铁、蠕墨铸铁等材料有发展趋势。（见表2-2）表2-2

种类	抗弯强度 MPa
单体铸造活塞环	392～450
筒体铸造活塞环	480～520
可锻、半可锻铸铁环	600～950
球墨铸铁环	900～1300

2.2.2硬度活塞环材料的硬度在一定程度上反了材料的耐磨性。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，尽管输入的油和空气均经过滤清，这些夹杂物仍然起着研磨剂的作用，形成磨料磨损。故需硬度高、抗磨料磨损能力强的材料，但硬度过高，不仅加工困难而且易于拉缸。同时，与其相匹配的气缸套，对硬度提出了限制。因此，JB/T 51105—1999规定了硬度允许范围和同一片环的硬度差值。（见表2-3）表2-3

种 类		硬 度	同一片环上的硬度差
合金铸铁环	环直径≤150 mm   环直径＞150 mm	98～108 HRB   94～105 HRB	≤3 HRB
可锻、半可锻铸铁环及球墨铸铁环		98—110 HRB	按产品图样规定
钢 环	经淬火、回火处理的环 冷轧材料环   不锈钢环	400～580HV ≥367 HV或按产品图案规定 按产品图样规定	≤40 HV

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，首先是由于活塞环具有一定的弹力，然后在燃气的高压作用下，进一步向缸壁涨紧，并随着压力的增加而增加。而活塞环弹力的获得及其大小，除活塞环的几何形体和残留应力外，活塞环材料本身所具有2弹性是十分重要的。衡量材料的弹性，通常以弹性模量表现。弹性模量指在环实物试验基础上，通过计算得到的表征应力与应变关系的参数。　　　24πr²ME = ───────    ㎏/ mm²          mh₁α₁³φ式中：m—活塞环自由开口尺寸h₁—环高α₁—径向厚度φ—活塞环减弱系数        矩形断面φ=1        有斜棱、车槽等减弱的环φ＜1 r—活塞环径向平均半径    （D-t） M—活塞环闭合时的弯矩（㎏—cm）从E可以看出，在活塞环的几何形状（尺寸）一定以后，其闭&时的弯矩M越大，E值越高，弹性越好，反之则弹性差。活塞环材料的弹性，直接关系到活塞环的残余变形。材料弹性好，活塞环的残余变形就少，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，而合金灰铸铁环的残余变形是显而易见的。典型的弹性模量：合金铸铁环：单体铸造环   95GPa            筒体铸铁环   115GPa可锻邪肟啥椭铁环        150～160GPa球墨铸铁环               160GPa                           各种铸铁环的弹性模量均在   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）    研究活塞环材料的耐磨性，必须;先分析活塞环在气缸内工作时的运动状况、受力情况和工作环境等。（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和震动等。（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，必须有良好的抗磨能力，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。当然，单纯依靠材料本身是远远不够的，于是采取了各种不同的表面处理，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，又承受着豢量痰哪Σ亮Γ且这摩擦力还在反复变化着。2.2.5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，对活塞环有腐蚀性作用，特别对金属显微结构呈多元相的交界面，更易受荒ナ础Ｒ虼艘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。2.2.6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，其弹幌失率。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。热稳定性应符合表2-4规定。 表2-4

种 类	切向弹力的最大消失率，%
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                            15

 2.2.7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的表面处理，如镀铬、喷钼、氮化、激光表面等。（见表2-5）而各种不同的表面处理，对活塞环材质的化学成分、金相组织结构有不同的要求。如表面镀铬，对活塞环材料的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恚挥秩缂す獗砻娲慊穑要求活塞环材料有较高的含碳量；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   随着温度升高和时间延长而损坏 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

 随着发动机的强化，出现了采用球墨铸铁和可锻铸铁作为活塞环的趋向。球墨铸铁的机械强度较高，但润滑性能比合金铸铁差（由于石墨面积与体积比小），有良好的耐磨性和抗粘着能力，表2-6给出球墨铸铁与灰铸铁机械性能比较数据。表2-6    球墨铸铁与灰铸铁的机械性能比较

材 料   性 能	灰口铸铁	球墨铸铁	球墨铸铁（针状组织）
弹性模数（MPa） 抗弯强度（MPa） 硬    度  HRB	95000 ＞350 95～107	150000 ＞1000 100～107	160000 ＞1000 HRC35～45

活塞环常用材料的性能参数见表2-7。表2-7    活塞环材料的性能参数

	弹性模量 En·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	83-124 140-160 155-165 120	230-310 400-580 540-820 250-390	210-310 250-320 200-440 130-150	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，虽然具有较高的机械性能，但抗粘着磨损的性能很差，故应用不广。在强化发动机中，由于要求提高环的弹力和抗冲击性能，有的采用钢制气环，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。用钢片制造的油环v特别是组合油环已获得广泛应用，因为它可以产生很高的弹力，刮油能力强。一般的高碳钢、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）作为活塞环材料的报导，尚停留在试验阶段。