第35卷第9期铁道技术监督标准化工作Vol.35No.9RAILWAY QUALITY CONTROL铁路内燃机车陶瓷活塞环标准探讨任诗福1，金其炳2(1.上海铁路局合肥机务段.安微合肥230011：2.合肥金陶科技有限责任公司，安徽合肥230011)摘要：介绍活塞环的作用、材料，陶瓷处理的工艺流程、技术特点，陶瓷环主要性能技术指标、检测试验方法、包装、贮存、安装以及应用等。中图分类号：U262.11文献标识码：B文章编号：1006-9178(2007)09-0009-031引言性、韧性和贮油性能等。其中耐磨性和弹性是活塞环材料最重要的性能。作为机车内燃机的关键零部件之一活塞环，采3.1.2材料用陶瓷表面处理工艺，在铁路行业具有创新意义，对机车、动车用内燃机陶瓷活塞环的基体材料通提高环的耐磨性等有一定的作用，陶瓷活塞环已在常是合金铸铁或球墨铸铁，我国规定合金铸铁是指一些机务段实际使用，制定和完善陶瓷活塞环的企铬铝合金铸铁和钨合金铸铁，其化学成分、金相组织业标准，探讨理解标准，不仅对已使用部门有积极的等必须满足TB/T1382~2006标准的规定。合金铸铁作用，而且根据运用的推广为将来可能制定行业标活塞环的基体硬度为201~247HVa2,球墨铸铁活塞准也有极大的参考价值。环的基体硬度为381~454HV2。直径≤200mm的活塞环，同一片活塞环上的硬度差≤5个单位：直2活塞环作用径>200mm的活塞环，硬度差≤6个单位。环坯硬度内燃机活塞环按其用途可分为气环、油环2大不合格时，允许用回火调整，但调整的次数不超过2类。活塞环的作用是密封、刮油、传热、支承等，气环次。主要作用是密封，因此必须具有一定的初始弹力，形3.13弹性模量与抗弯强度比成第一一次密封：在气缸爆发膨胀过程中，燃烧室的高基体材料是合金铸铁的活塞环，直径与径向厚度压气体使活塞环的径向和轴向产生不平衡力，在它之比≤24时，弹性模量与抗弯强度比≤220：环直径与们的作用下，活塞环被压向环槽下侧，同时环背方面径向厚度之比>24时，弹性模量与抗弯强度比≤240。的径向不平衡力将环的工作表面压向缸壁，形成232活塞环陶瓷处理次密封。油环的作用是刮除气缸壁上多余的机油，使3.2.1简介气缸壁上形成一层均匀的油膜。当前，活塞环厂家一般采用镀铬、喷钼、磷化、镀3陶瓷活塞环技术标准锡等处理工艺，提高活塞环耐磨、耐热、耐腐蚀性能：陶瓷活塞环是采用低温等离子体PCVD化学气相沉3.1基体要求积工艺，在活塞环表面沉积BN-SN复合陶瓷薄膜3.1.1性能材料，陶瓷材料与金属基体之间形成双向扩散，在结活塞环是内燃机中在高温、高压条件下唯一做构上，为网络结构与超微粒子并存，超微粒子随机分3个方向运动（轴向、径向和旋转）的零件，使用条件布于网络中。由于网络结构有贮油减磨功能，使材料最为苛刻，因此，陶瓷活塞环的基体必须具有较高硬既有硬度又有强度，摩擦系数降低，并有良好的韧性度，较强的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，有较好的弹和表面粗糙度。3.2.2流程收稿日期：2007-07-18(1)表面处理前的检测一一活塞环的表面不允作者简介：任诗福，工程师；金其炳，高级工程师2007年9月（总第251期）标准化工作许有裂纹、夹渣、飞边和毛刺。活塞环外圆面和2侧范围在0.040-0.050。面上允许存在直径≤0.4mm、相距≥10mm、距棱3.3陶瓷活塞环有关尺寸边≥0.5mm的孔眼；上下侧面上的缺陷至少错开3.3.1径向厚度公差10mm;内圆面上允许存在直径≤1mm、相距≥环直径≤200mm时，径向厚度公差≤0.20mm;10mm、距棱边≥0.5mm的孔眼：内棱边上允许存环直径>200mm时，径向厚度公差≤0.30mm:同一在直径≤0.5mm、相距≥10mm的f孔眼和缺角，允片环上的径向厚度差应≤0.18mm。许的缺陷数量在同一片环上不应超过3个；开口端33.2环高公差内棱角上允许存在≤1.0mm的缺口：油环内圆面上环直径≤200mm时，环高公差≤0.02mm;环直在铣通回油孔处允许有≤0.5mm的缺角或崩边。径>200mm时，环高公差≤0.03mm。(2)清洗烘干一清洗是活塞环在强化处理时3.3.3油环的刮油边径向偏移度取得较好效果重要工序，清洗后放入专用加热设备整体油环，刮油边径向偏移度≤0.015mm:组合中烘干，以清除表面上黏附的汽油、丙酮等。油环，刮油边径向偏移度≤0.025mm。(3)装炉抽真空一将活塞环装入沉积炉中，33.4挠曲度抽真空。真空条件下可防止工件氧化，同时保证被激环直径≤200mm时，挠曲度≤0.06mm:环直径>活的气相物质的流动和扩散，使气相物质附在工件200mm时，挠曲度≤0.07mm。表面。33.5自由开口尺寸(4)加热村底一在低温(<300℃)PCVD工艺不同型号活塞环自由开口尺寸不同，但应符合中，化学反应的分子激活能量虽由高频电场进行不产品设计图样规定，其公差值均≤设计值的±10%。断补充，但是工作温度对薄膜生成、薄膜性质和化学3.4陶瓷活塞环光密封度反应等影响较大。外圆面珩磨的陶瓷活塞环光密封度应为外圆面(5)注入气体—按一定比例通入氮气、硅烷、周长的100%；外圆面经磨削而无珩磨带的锥面环，硼烷。光密封度不应小于外圆面周长的95%，其余无珩磨(6)加高频电压—在炉内上、下极板间加高带陶瓷活塞环的光密封度不应小于外圆面周长的频电压以产生等离子态及不断补充气相分子的激活90%。陶瓷活塞环在开口处左右各30°范围内不允许能量，从而保证气相分子较好的扩散并附着在工件漏光。表面，发生反应生成陶瓷物质，且有足够的能量使陶3.5陶瓷活塞环的弹力瓷物质向金属基体扩散。陶瓷活塞环的弹力应符合产品设计图样的规定，(7)陶瓷复合层生长一金属基体表面的分子其公差值≤±20%。弹力消失率在试验条件为300℃，受陶瓷物质撞击后被激活而与陶瓷物质相互扩散，环闭合至基本尺寸3h后，陶瓷合金铸铁整体环，弹最终形成金属陶瓷复合层。力最大消失率≤12%：陶瓷球铁铸铁整体环，弹力最3.2.3技术参数大消失率≤8%。在试验条件为250℃，环闭合至基本(1)陶瓷层表面显微硬度：基体是合金铸铁陶尺寸5h后，陶瓷合金铸铁和球铁铸铁组合油环弹力瓷环硬度范围400-~650HVa2,基体是球墨铸铁陶瓷最大消失率均≤25%。环硬度范围570-1000HVa2z,在镀铬、磷化、喷钼的3.6陶瓷活塞环残磁活塞环表面进行陶瓷处理，陶瓷环的硬度是原环的陶瓷活塞环残磁的磁感应强度≤0.3mT。1.5-2.5倍。4陶瓷活塞环检测试验(2)陶瓷处理后各配合表面粗糙度如下：2侧面和外圆面经加工后Ra的上限值均为0.63um。比4.1弹力处理前提高12个数量级。陶瓷活塞环在径向上需要一定的弹力，才能保(3)陶瓷层具有超微粒子网络状结构，沉积深证活塞环与气缸壁严密接合，使其具有良好的密封度20-30μm,增加膜厚1-~3m,陶瓷层与基体的性能。整体环的弹力大小可用钢带或铁箍包箍环，在结合强度大于19.6MPa。开口端切线方向拉紧，使环保持闭口间隙时所需施(4)陶瓷处理的活塞环摩擦系数比处理前降低，加的力，用弹力测量仪测定（如图1）：组含环是在使・10铁道技术监督第35卷第9期开口端振动条件下测定（如图2）。现场工作如没有5陶瓷活塞环包装、贮存条件测量，可用新旧环对比来判断活塞环弹力情况。5.1包装陶瓷活塞环包装时应涂机油或防锈油，并用防水材料包好，包装盒上注明：厂家、产品名称、图号或型号、数量等。5.2贮存陶瓷活塞环是精密加工而制成的，保存时应平放，包装好的活塞环放在通风干燥的仓库中，确保至图1整体环弹力测试图2组合环弹力测试少12个月内不出现锈蚀现象。6陶瓷活塞环的安装要求4.2闭口间隙将陶瓷活塞环平放入直径等于汽缸基本直径的(1)安装前应检查陶瓷活塞环和环槽是否清洁，环规中，然后用厚薄规测量其开口间隙，间隙应符合测量气缸内径，掌握气缸磨损、变形程度和加工精度设计要求。现场工作中，将环推至气缸工作位置后，等。间隙不可过大，也不能过小，过大会使密封性能变(2)活塞环安装必须保持平正，应使用专用的差，过小会使活塞环工作中受热膨胀被卡在气缸内，拆装工具，将活塞环撑开装到环槽中时，容易产生扭引起活塞环被折断甚至造成“拉缸”。环开口间隙小，曲，也易使活塞环折断，因此开口处应尽可能使用正可用细平锉锉削开口。应边锉边放入气缸内检查，直确的切向作用力。到开口间隙合适为止。(3)陶瓷活塞环开口扩张不能超过厚度的8倍，4.3光密封度否则就超过环的设计应力，使活塞环有折断或变形的将陶瓷活塞环平放入直径等于气缸基本直径的危险，也不要随便地用手闭合开口，以免产生变形。环规内，并在环规下面用适当光源照射，观察环与环(4)安装锥面环时要特别注意标志的安装方向。规间光线不能通过的百分率。(5)陶瓷活塞环装入环槽后，应与槽有一定的4.4硬度侧隙，使环能在环槽内运动。侧隙的大小可用厚薄规在环境条件为温度20℃，相对湿度60%，在环测量。侧隙过小时，可在细砂布上研磨，侧隙过大则开口附近、离口90°和1803处各1点，用维氏硬不能使用。度小负荷200g试验方法，测得的平均值。7应用效果4.5陶瓷层厚度与金相陶瓷薄膜增长厚度0.001-0.003mm,渗透金属陶瓷活塞环，目前已在上海、南昌、济南、哈尔滨、内部0.02-0.03mm,金相观察如图3、图4所示。武汉、鸟鲁木齐等铁路局机务段装车使用，使用寿命较其他方法处理的活塞环明显延长：从各使用单位统计数据看，有一定的节约燃油机油的效果：陶瓷环的贮油性和非金属性，使活塞、缸套等磨损同时降低，实现较好匹配效果。参考文献：[]钱大川，等.活塞、活塞环设计、加工新技术与产品缺陷控制及相图3陶瓷薄膜20×(图4)陶瓷薄膜100×关标准汇编实用手册.北京：中国电子科技出版社，2006[2)大连机车车辆工厂东风4型内燃机车.大连：大连理工大学出版4.6摩擦系数社，1993测试条件为：陶瓷环上试样为10xI0x20(mm),[)李九林金属硬度试验方法国家标准实施指南.北京：中国标准出下试样为p40x5(mm)圆环，在接触载荷为p=25kg,版社，2004.[4GB/T1149.4-94,内燃机活塞环技术要求运行2x10周次，摩擦附加6滴/minl5#机油润滑，[5)GB/T1149.6-94,内燃机活寒环检验方法以l85r/min的速度转动，测定摩擦系数。【6TB/T1382-2006,机车、动车用柴油机零部件活塞环.