铁路内燃机车陶瓷活塞环技术标准的研究与探讨
时间：2020-03-18 05:12:27 来源：千叶帆 本文已影响人
【摘 要】本文介绍活塞环的作用、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。
【关键词】铁路；内燃机车；陶瓷活塞环；技术标准；研究与探讨
0 引言
作为铁路机车内燃机的关键零部件之一活塞环，采用陶瓷表面处理工艺，在铁路行业具有创新意义，对提高环的耐磨性等有一定的作用，陶瓷活塞环已在铁道部一些机务段实际使用，制定和完善陶瓷活塞环的企业标准，探讨理解标准，不仅对已使用部门有积极的作用，而且根据应用的推广为将来可能制定行业标准也有极大的参考价值。
1 活塞环作用
铁路内燃机车活塞环按其用途可分为气环、油环两大类。活塞环作用是密封、刮油、传热、支承等，气环主要作用是密封，因此必须具有一定的初始弹力，形成第一次密封；在气缸爆发膨胀的过程中，燃烧室的高压气体使活塞环的径向和轴向产生不平衡力，在它们的作用下，活塞环被压向环槽下侧，同时环背方面的径向不平衡力将环的工作表面压向缸壁，形成2次密封。油环的作用是刮除汽缸壁上多余的机油，使气缸壁上形成一层均匀的相对稳定的油膜。
2 陶瓷活塞环技术标准
2.1 基本要求
2.1.1 性能
活塞环是内燃机车中在高温、高压条件下唯一做三个方向运（轴向、径向和旋转）的零件，使用条件最为苛刻，因此，陶瓷活塞环的基体必须具有较高硬度，较强的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，有较好的弹性、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。
2.1.2 材料
机车用内燃机车陶瓷活塞环的基体材料通常是合金铸铁或球墨铸铁，我国规定合金铸铁是指铬钼合金铸铁和钨合金铸铁，其化学成分、金相组织等必须满足TB/T1382-2006标准的规定。合金铸铁活塞环的基本硬度为201-247HV0.2，球墨铸铁活塞环的基体硬度为381-454HV0.2。直径≤200mm的活塞环，同一片活塞环上的硬度差≤5个单位；直径>200mm的活塞环，硬度差≤6个单位。环坯硬度不合格时，允许用回火调整，但调整的次数不超过2次。
2.1.3 弹性模量与抗弯强度比
基体材料是合金铸铁的活塞环，直径与径向厚度之比≤24时，弹性模量与抗弯强度比≤220；环直径与径向厚度之比>24时，弹性模量与抗弯强度比≤240。
2.2 活塞环复合陶瓷表面强化处理
2.2.1 简介
当前，铁路内燃机车活塞环厂家一般采用镀铬、喷钼、磷化、镀锡等处理工艺，提高活塞环耐磨、耐热和耐腐蚀性能；陶瓷活塞环是采用低温等离子体PCVD化学气相沉积工艺，在活塞环表面积沉积BN-SiN复合薄膜材料，陶瓷材料与金属基本之间形成双向扩散。在结构上，为网络结构与超微粒子并存，超微粒子随机分布于网络中。由于网络结构有贮油减磨功能，这样使材料既有硬度又有强度，摩擦系数降低，并有良好的韧性和表面粗糙度。
2.2.2 流程
1）表面强化处理前的检测——活塞环的表面不允许有裂纹、夹渣、飞边和毛刺。活塞环外圆面和2个侧面上允许存在直径≤0.4mm、相距≥10mm、距棱边≥0.5mm的孔眼；上下侧面上的缺陷至少错开10mm；内圆面上允许直径≤1mm、相距≥10mm、距棱边≥0.5mm的孔眼；内棱边上允许存在直径≤0.5mm、相距≥10mm的孔眼和缺角，允许的缺陷数量在同一片环上不应超过3个；开口端内棱角上允许存在≤1.0mm的缺口；油环内圆面上在铣通回油孔处允许有≤0.5mm的缺角或崩边。
2）清洗烘干——清洗是活塞环在表面强化处理时取得较好效果的主要工序，清洗后放入专用加热设备中烘干，以清除表面上的黏附的汽油、丙酮等。
3）裝炉抽真空——将活塞环装入专用的沉积炉中，抽真空。真空条件下可防止工件氧化，同时保证被激活的气相物质的流动和扩散，使气相物质附在工件表面。
4）加热衬底——在低温（<3000C）PCVD工艺中，化学反应的分子激活能量虽有高频电场进行不断补充，但是工作温度对薄膜生成、薄膜性质和化学反应等影响较大。
5）注入气体——按一定比列通入氮气、硅烷、硼烷。
6）加高频电压——在炉内上、下极板间加高频电压以产生等离子态及不断补充气相分子的激活能量，从而保证气相分子较好的扩散并附着在工件表面，发生反应生成陶瓷物质，且有足够的能量使陶瓷物质向金属基体内扩散。
7）陶瓷复合层生长——金属基体表面的分子受陶瓷物质撞击后被激活而与陶瓷物质相互扩散，最终形成金属陶瓷复合层。
2.2.3 技术参数
1）复合陶瓷表面显微硬度：基体是合金铸铁陶瓷环硬度范围400～650HV0.2，基体是球墨铸铁陶瓷环硬度范围570～1000HV0.2，在镀铬、磷化、喷钼的活塞环表面进行陶瓷处理，陶瓷活塞环的硬度是原环的1.5～2.5倍。
2）陶瓷处理后各配合表面粗糙度：2个侧面和外圆面经加工后Ra的上限值均为0.63um。比处理前提高1～2个数量级。
3）陶瓷层具有超微粒子网络状结构，沉积深度20～30um，增加膜厚1～3um，陶瓷层与基体的结合强度大于19.6MPa。
4）复合陶瓷处理的活塞环摩擦系数比处理前降低，范围在0.040～0.050。
2.3 陶瓷活塞环工艺尺寸
2.3.1 径向厚度公差
环直径≤200mm时，径向厚度公差≤0.2.mm；环直径>200mm时，径向厚度公差≤0.30mm；同一片环上的径向厚度差≤0.18mm。
2.3.2 环高公差
环直径≤200mm时，环高公差≤0.02mm；环直径>200mm时，环高公差≤0.03mm。
2.3.3 油环的刮油边径向偏移度
整体油环，刮油边径向偏移度≤0.015mm；组合油环，刮油边径向偏移度≤0.025mm。
2.3.4 挠曲度
环直径≤200mm时，挠曲度≤0.06mm；环直径>200mm时，挠曲度≤0.07mm。
2.3.5 自由开口尺寸
不同型号的活塞环自由开口尺寸不同，但应符合产品设计图样规定，其公差值均≤设计值的±10%。
2.4 陶瓷活塞环光密封度
外圆面珩磨的陶瓷活塞环光密封度应为外圆面周长的100%；外圆面经磨削而无珩磨带的锥面环，光密封度不应小于外圆面周长的95%，其余无珩磨带陶瓷活塞环的光密封度不应小于外圆面周长的90%。陶瓷活塞环在开口处左右各300范围内不允许有漏光。
2.5 陶瓷活塞环的弹力
陶瓷活塞环的弹力应符合产品设计图样的规定，其公差值≤±20%。弹力消失率在试验条件下为300oC，环闭合至基本尺寸3h后，陶瓷合金铸铁整体环，弹力最大消失率≤12%；陶瓷球铸铸铁整体环，弹力最大消失率≤18%。在试验条件为250℃，环闭合至基本尺寸5h后，陶瓷合金铸铁和球墨铸铁组合油环弹力最大消失率均≤25%。
2.6 陶瓷活塞环残磁
陶瓷活塞环残磁的磁感应强度≤0.3mT。
3 陶瓷活塞环检测试验
3.1 弹力
陶瓷活塞环在径上需要一定的弹力，才能保证活塞环与气缸严密结合，使具有良好的密封性能。整体的弹力大小可用钢带或铁制包箍环，在开口端切线方向拉紧，使环保持闭口间隙时所需要施加的力，用弹力测量仪测定（如图1）；组合环是在使开口端振动条件下测定（如图2）。现场工作人没有条件测量，可用新旧环对比来判断活塞环弹力情况。
3.2 闭口间隙
将陶瓷活塞环平放入直径等于气缸基本直径的环规中，然后用厚薄规测量其开口间隙，间隙应符合设计要求。在现场工作中，将环推至气缸工作位置后，间隙不可过大，也不能过小，过大会使密封性能变差，过小会使活塞环工作中受热膨胀卡在气缸内，引起活塞环被折断甚至造成“拉缸”。环开口间隙小，可用细平锉锉削开口。锉后放入气缸内检查，直到开口间隙合适为止。
3.3 光密封度
将陶瓷活塞环平放入直径等于气缸基本直径的环规内，并在环规下面用适当光源照射，观察环与环规间光线不能通过的百分率。
3.4 硬度
在环境条件下为温度200C，相对湿度60%，在环口附近、离口900和18003处各1点，用维氏硬度小负荷200gf试验方法，测得的平均值。
3.5 陶瓷层厚度与金相
陶瓷薄膜增长厚度0.001～0.003mm，渗透金属内部0.02～0.03mm，金相观察如图3、图4所示。
3.6 摩擦系数
测试条件为：陶瓷环上试样为10×10×20（mm），下试样为直径40×5（mm）圆环，在接触载荷为p=25kgf，运行2×104周次，摩擦附加6滴/min15#机油润滑，以185r/min的速度转动，测定摩擦系数。
4 陶瓷活塞环包装、贮存
4.1 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。
4.2 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，确保至少12个月内不出现锈蚀现象。
5 陶瓷活塞环的安装要求
5.1 安装前应检查陶瓷活塞环和环槽是否清洁，测量气缸内径，掌握气缸磨损、变形程度和加工精度等。
5.2 活塞环安装必须保证平正，应使用专用的拆装工具，将活塞环撑开装到环槽中时，容易产生扭曲，也易使活塞环折断，因此开口处应尽可能使用正确的切向作用力。
5.3 陶瓷活塞环开口扩张不能超过厚度的8倍，否则就超过环的设计应力，使活塞环有折断或变形的危险，也不要随便的用手闭合开口，以免产生变形。
5.4 安装锥面环时要特别注意标志的安装方向。
5.5 陶瓷活塞环装入环槽后，应与槽有一定的侧隙，使活塞环能在槽内运动。侧隙的大小可用厚薄规测量。侧隙过小时，可在细砂布上研磨，侧隙过大则不能使用。
6 应用效果
陶瓷活塞环，目前已在上海、南昌、济南、哈尔滨、武汉、乌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，有较好的节约燃油机油的效果；陶瓷活塞环的贮油性和非金属性，使活塞、缸套等磨损同时降低，实现较好的匹配效果，受到用户和技术专家的充分肯定，获得国家技术专利，为安徽省科技成果和高新技术产品，被铁道部列为内燃机车重要件定点验收产品。
【参考文献】
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[2]大连机车车辆工厂.东风4型内燃机车[M].大连：大连理工大学出版社，1993.
[3]李九林.金属硬度试验方法国家标准实施指南[M].北京：中国标准出版社，2004.
[4]GB/T 1149.4-94 内燃机活塞环 技术要求[S].
[5]GB/T 1149.6-94 内燃机活塞环 检验方法[S].
[6]TB/T 1382-2006 铁路内燃机车用柴油机零部件活塞环[S].
[责任编辑：王迎迎]
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