鐵路內(nèi)燃機(jī)車陶瓷活塞環(huán)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究與探討

金其炳

（上海鐵路機(jī)務(wù)綜合開發(fā)有限公司，中國 上海 200070）

0 引言

作為鐵路機(jī)車內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零部件之一活塞環(huán)，采用陶瓷表面處理工藝，在鐵路行業(yè)具有創(chuàng)新意義，對提高環(huán)的耐磨性等有一定的作用，陶瓷活塞環(huán)已在鐵道部一些機(jī)務(wù)段實(shí)際使用，制定和完善陶瓷活塞環(huán)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，探討理解標(biāo)準(zhǔn)，不僅對已使用部門有積極的作用，而且根據(jù)應(yīng)用的推廣為將來可能制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也有極大的參考價(jià)值。

1 活塞環(huán)作用

鐵路內(nèi)燃機(jī)車活塞環(huán)按其用途可分為氣環(huán)、油環(huán)兩大類?；钊h(huán)作用是密封、刮油、傳熱、支承等，氣環(huán)主要作用是密封，因此必須具有一定的初始彈力，形成第一次密封；在氣缸爆發(fā)膨脹的過程中，燃燒室的高壓氣體使活塞環(huán)的徑向和軸向產(chǎn)生不平衡力，在它們的作用下，活塞環(huán)被壓向環(huán)槽下側(cè)，同時(shí)環(huán)背方面的徑向不平衡力將環(huán)的工作表面壓向缸壁，形成2次密封。油環(huán)的作用是刮除汽缸壁上多余的機(jī)油，使氣缸壁上形成一層均勻的相對穩(wěn)定的油膜。

2 陶瓷活塞環(huán)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 基本要求

2.1.1 性能

活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)車中在高溫、高壓條件下唯一做三個(gè)方向運(yùn)（軸向、徑向和旋轉(zhuǎn)）的零件，使用條件最為苛刻，因此，陶瓷活塞環(huán)的基體必須具有較高硬度，較強(qiáng)的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性，有較好的彈性、韌性和貯油性能等。其中耐磨性和彈性是活塞環(huán)材料最重要的性能。

2.1.2 材料

機(jī)車用內(nèi)燃機(jī)車陶瓷活塞環(huán)的基體材料通常是合金鑄鐵或球墨鑄鐵，我國規(guī)定合金鑄鐵是指鉻鉬合金鑄鐵和鎢合金鑄鐵，其化學(xué)成分、金相組織等必須滿足TB/T1382-2006標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。合金鑄鐵活塞環(huán)的基本硬度為201-247HV0.2，球墨鑄鐵活塞環(huán)的基體硬度為381-454HV0.2。直徑≤200mm的活塞環(huán)，同一片活塞環(huán)上的硬度差≤5個(gè)單位；直徑＞200mm的活塞環(huán)，硬度差≤6個(gè)單位。環(huán)坯硬度不合格時(shí)，允許用回火調(diào)整，但調(diào)整的次數(shù)不超過2次。

2.1.3 彈性模量與抗彎強(qiáng)度比

基體材料是合金鑄鐵的活塞環(huán)，直徑與徑向厚度之比≤24時(shí)，彈性模量與抗彎強(qiáng)度比≤220；環(huán)直徑與徑向厚度之比＞24時(shí)，彈性模量與抗彎強(qiáng)度比≤240。

2.2 活塞環(huán)復(fù)合陶瓷表面強(qiáng)化處理

2.2.1 簡介

當(dāng)前，鐵路內(nèi)燃機(jī)車活塞環(huán)廠家一般采用鍍鉻、噴鉬、磷化、鍍錫等處理工藝，提高活塞環(huán)耐磨、耐熱和耐腐蝕性能；陶瓷活塞環(huán)是采用低溫等離子體PCVD化學(xué)氣相沉積工藝，在活塞環(huán)表面積沉積BNSiN復(fù)合薄膜材料，陶瓷材料與金屬基本之間形成雙向擴(kuò)散。在結(jié)構(gòu)上，為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與超微粒子并存，超微粒子隨機(jī)分布于網(wǎng)絡(luò)中。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有貯油減磨功能，這樣使材料既有硬度又有強(qiáng)度，摩擦系數(shù)降低，并有良好的韌性和表面粗糙度。

2.2.2 流程

1）表面強(qiáng)化處理前的檢測——活塞環(huán)的表面不允許有裂紋、夾渣、飛邊和毛刺?；钊h(huán)外圓面和2個(gè)側(cè)面上允許存在直徑≤0.4mm、相距≥10mm、距棱邊≥0.5mm的孔眼；上下側(cè)面上的缺陷至少錯(cuò)開10mm；內(nèi)圓面上允許直徑≤1mm、相距≥10mm、距棱邊≥0.5mm的孔眼；內(nèi)棱邊上允許存在直徑≤0.5mm、相距≥10mm的孔眼和缺角，允許的缺陷數(shù)量在同一片環(huán)上不應(yīng)超過3個(gè)；開口端內(nèi)棱角上允許存在≤1.0mm的缺口；油環(huán)內(nèi)圓面上在銑通回油孔處允許有≤0.5mm的缺角或崩邊。

2）清洗烘干——清洗是活塞環(huán)在表面強(qiáng)化處理時(shí)取得較好效果的主要工序，清洗后放入專用加熱設(shè)備中烘干，以清除表面上的黏附的汽油、丙酮等。

3）裝爐抽真空——將活塞環(huán)裝入專用的沉積爐中，抽真空。真空條件下可防止工件氧化，同時(shí)保證被激活的氣相物質(zhì)的流動(dòng)和擴(kuò)散，使氣相物質(zhì)附在工件表面。

4）加熱襯底——在低溫（＜3000C）PCVD工藝中，化學(xué)反應(yīng)的分子激活能量雖有高頻電場進(jìn)行不斷補(bǔ)充，但是工作溫度對薄膜生成、薄膜性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等影響較大。

5）注入氣體——按一定比列通入氮?dú)?、硅烷、硼烷?/p>

6）加高頻電壓——在爐內(nèi)上、下極板間加高頻電壓以產(chǎn)生等離子態(tài)及不斷補(bǔ)充氣相分子的激活能量，從而保證氣相分子較好的擴(kuò)散并附著在工件表面，發(fā)生反應(yīng)生成陶瓷物質(zhì)，且有足夠的能量使陶瓷物質(zhì)向金屬基體內(nèi)擴(kuò)散。

7）陶瓷復(fù)合層生長——金屬基體表面的分子受陶瓷物質(zhì)撞擊后被激活而與陶瓷物質(zhì)相互擴(kuò)散，最終形成金屬陶瓷復(fù)合層。

2.2.3 技術(shù)參數(shù)

1）復(fù)合陶瓷表面顯微硬度：基體是合金鑄鐵陶瓷環(huán)硬度范圍400～650HV0.2，基體是球墨鑄鐵陶瓷環(huán)硬度范圍570～1000HV0.2，在鍍鉻、磷化、噴鉬的活塞環(huán)表面進(jìn)行陶瓷處理，陶瓷活塞環(huán)的硬度是原環(huán)的1.5～2.5倍。

2）陶瓷處理后各配合表面粗糙度：2個(gè)側(cè)面和外圓面經(jīng)加工后Ra的上限值均為0.63um。比處理前提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3）陶瓷層具有超微粒子網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，沉積深度20～30um，增加膜厚1～3um，陶瓷層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大于19.6MPa。

4）復(fù)合陶瓷處理的活塞環(huán)摩擦系數(shù)比處理前降低，范圍在0.040～0.050。

2.3 陶瓷活塞環(huán)工藝尺寸

2.3.1 徑向厚度公差

環(huán)直徑≤200mm時(shí)，徑向厚度公差≤0.2.mm；環(huán)直徑＞200mm時(shí)，徑向厚度公差≤0.30mm；同一片環(huán)上的徑向厚度差≤0.18mm。

2.3.2 環(huán)高公差

環(huán)直徑≤200mm時(shí)，環(huán)高公差≤0.02mm；環(huán)直徑＞200mm時(shí)，環(huán)高公差≤0.03mm。

2.3.3 油環(huán)的刮油邊徑向偏移度

整體油環(huán)，刮油邊徑向偏移度≤0.015mm；組合油環(huán)，刮油邊徑向偏移度≤0.025mm。

2.3.4 撓曲度

環(huán)直徑≤200mm時(shí)，撓曲度≤0.06mm；環(huán)直徑＞200mm時(shí)，撓曲度≤0.07mm。

2.3.5 自由開口尺寸

不同型號(hào)的活塞環(huán)自由開口尺寸不同，但應(yīng)符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定，其公差值均≤設(shè)計(jì)值的±10%。

2.4 陶瓷活塞環(huán)光密封度

外圓面珩磨的陶瓷活塞環(huán)光密封度應(yīng)為外圓面周長的100%；外圓面經(jīng)磨削而無珩磨帶的錐面環(huán)，光密封度不應(yīng)小于外圓面周長的95%，其余無珩磨帶陶瓷活塞環(huán)的光密封度不應(yīng)小于外圓面周長的90%。陶瓷活塞環(huán)在開口處左右各300范圍內(nèi)不允許有漏光。

2.5 陶瓷活塞環(huán)的彈力

陶瓷活塞環(huán)的彈力應(yīng)符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣的規(guī)定，其公差值≤±20%。彈力消失率在試驗(yàn)條件下為300oC，環(huán)閉合至基本尺寸3h后，陶瓷合金鑄鐵整體環(huán)，彈力最大消失率≤12%；陶瓷球鑄鑄鐵整體環(huán)，彈力最大消失率≤18%。在試驗(yàn)條件為250℃，環(huán)閉合至基本尺寸5h后，陶瓷合金鑄鐵和球墨鑄鐵組合油環(huán)彈力最大消失率均≤25%。

2.6 陶瓷活塞環(huán)殘磁

陶瓷活塞環(huán)殘磁的磁感應(yīng)強(qiáng)度≤0.3mT。

3 陶瓷活塞環(huán)檢測試驗(yàn)

3.1 彈力

陶瓷活塞環(huán)在徑上需要一定的彈力，才能保證活塞環(huán)與氣缸嚴(yán)密結(jié)合，使具有良好的密封性能。整體的彈力大小可用鋼帶或鐵制包箍環(huán)，在開口端切線方向拉緊，使環(huán)保持閉口間隙時(shí)所需要施加的力，用彈力測量儀測定（如圖1）；組合環(huán)是在使開口端振動(dòng)條件下測定（如圖2）?，F(xiàn)場工作人沒有條件測量，可用新舊環(huán)對比來判斷活塞環(huán)彈力情況。

圖1 整體環(huán)彈力測試

圖2 組合環(huán)彈力測試

3.2 閉口間隙

將陶瓷活塞環(huán)平放入直徑等于氣缸基本直徑的環(huán)規(guī)中，然后用厚薄規(guī)測量其開口間隙，間隙應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。在現(xiàn)場工作中，將環(huán)推至氣缸工作位置后，間隙不可過大，也不能過小，過大會(huì)使密封性能變差，過小會(huì)使活塞環(huán)工作中受熱膨脹卡在氣缸內(nèi)，引起活塞環(huán)被折斷甚至造成“拉缸”。環(huán)開口間隙小，可用細(xì)平銼銼削開口。銼后放入氣缸內(nèi)檢查，直到開口間隙合適為止。

3.3 光密封度

將陶瓷活塞環(huán)平放入直徑等于氣缸基本直徑的環(huán)規(guī)內(nèi)，并在環(huán)規(guī)下面用適當(dāng)光源照射，觀察環(huán)與環(huán)規(guī)間光線不能通過的百分率。

3.4 硬度

在環(huán)境條件下為溫度200C，相對濕度60%，在環(huán)口附近、離口900和18003處各1點(diǎn)，用維氏硬度小負(fù)荷200gf試驗(yàn)方法，測得的平均值。

3.5 陶瓷層厚度與金相

陶瓷薄膜增長厚度0.001～0.003mm，滲透金屬內(nèi)部0.02～0.03mm，金相觀察如圖3、圖4所示。

3.6 摩擦系數(shù)

測試條件為：陶瓷環(huán)上試樣為10×10×20（mm），下試樣為直徑40×5（mm）圓環(huán)，在接觸載荷為 p=25kgf，運(yùn)行 2×104周次，摩擦附加 6滴/min15#機(jī)油潤滑，以185r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，測定摩擦系數(shù)。

圖3 陶瓷薄膜20×

圖4 陶瓷薄膜100×

4 陶瓷活塞環(huán)包裝、貯存

4.1 包裝

陶瓷活塞環(huán)包裝時(shí)應(yīng)涂機(jī)油或防銹油，并用防水材料包好，包裝盒上注明：廠家、產(chǎn)品名稱、圖號(hào)或型號(hào)、數(shù)量等。

4.2 貯存

陶瓷活塞環(huán)是精密加工而制成的，保存時(shí)應(yīng)平放，包裝好的活塞環(huán)放在通風(fēng)干燥的倉庫中，確保至少12個(gè)月內(nèi)不出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。

5 陶瓷活塞環(huán)的安裝要求

5.1 安裝前應(yīng)檢查陶瓷活塞環(huán)和環(huán)槽是否清潔，測量氣缸內(nèi)徑，掌握氣缸磨損、變形程度和加工精度等。

5.2 活塞環(huán)安裝必須保證平正，應(yīng)使用專用的拆裝工具，將活塞環(huán)撐開裝到環(huán)槽中時(shí)，容易產(chǎn)生扭曲，也易使活塞環(huán)折斷，因此開口處應(yīng)盡可能使用正確的切向作用力。

5.3 陶瓷活塞環(huán)開口擴(kuò)張不能超過厚度的8倍，否則就超過環(huán)的設(shè)計(jì)應(yīng)力，使活塞環(huán)有折斷或變形的危險(xiǎn)，也不要隨便的用手閉合開口，以免產(chǎn)生變形。

5.4 安裝錐面環(huán)時(shí)要特別注意標(biāo)志的安裝方向。

5.5 陶瓷活塞環(huán)裝入環(huán)槽后，應(yīng)與槽有一定的側(cè)隙，使活塞環(huán)能在槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)。側(cè)隙的大小可用厚薄規(guī)測量。側(cè)隙過小時(shí)，可在細(xì)砂布上研磨，側(cè)隙過大則不能使用。

6 應(yīng)用效果

陶瓷活塞環(huán)，目前已在上海、南昌、濟(jì)南、哈爾濱、武漢、烏魯木齊等鐵路局機(jī)務(wù)段裝車使用，使用壽命較其他方法處理的活塞環(huán)明顯延長；從各使用單位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，有較好的節(jié)約燃油機(jī)油的效果；陶瓷活塞環(huán)的貯油性和非金屬性，使活塞、缸套等磨損同時(shí)降低，實(shí)現(xiàn)較好的匹配效果，受到用戶和技術(shù)專家的充分肯定，獲得國家技術(shù)專利，為安徽省科技成果和高新技術(shù)產(chǎn)品，被鐵道部列為內(nèi)燃機(jī)車重要件定點(diǎn)驗(yàn)收產(chǎn)品。

［1］錢大川，等.活塞、活塞環(huán)設(shè)計(jì)、加工新技術(shù)與產(chǎn)品缺陷控制及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯編實(shí)用手冊[S].北京：中國電子科技出版社，2006.

［2］大連機(jī)車車輛工廠.東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，1993.

［3］李九林.金屬硬度試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［4］GB/T 1149.4-94內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán) 技術(shù)要求[S].

［5］GB/T 1149.6-94內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán) 檢驗(yàn)方法[S].

［6］TB/T 1382-2006鐵路內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)零部件活塞環(huán)[S].