活塞环的材料

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

活塞环的材料主要是灰铸铁、合金铸铁和球墨铸铁，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，弹性系数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。

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

活塞环两个端面是重要的工艺基准面，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。

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，往往要求活塞环高度尽可能薄，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

活塞环材料的硬度在一定程度上反映了材料的耐磨性。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，对硬度也提出了限制。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

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的弹性是十分重要的。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。

        24πr²M

E = ───────    ㎏/ 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，其闭合时的弯矩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、半可锻铸铁环        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                        200GPa

 2.2.4耐磨性（包括贮油性）

    研究活塞环材料的耐磨性，必须首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，又承受着极苛刻的摩擦力，且这摩擦力还在反复变化着。

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，更易受到磨蚀。因此要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。

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，其弹力消失率。

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

 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度；又如激光表面淬火，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

 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

 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

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，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。