鐵路內燃機車陶瓷活塞環技術標準的研究與探討

金其炳

（上海鐵路機務綜合開發有限公司，中國 上海 200070）

0 引言

作為鐵路機車內燃機的關鍵零部件之一活塞環，采用陶瓷表面處理工藝，在鐵路行業具有創新意義，對提高環的耐磨性等有一定的作用，陶瓷活塞環已在鐵道部一些機務段實際使用，制定和完善陶瓷活塞環的企業標準，探討理解標準，不僅對已使用部門有積極的作用，而且根據應用的推廣為將來可能制定行業標準也有極大的參考價值。

1 活塞環作用

鐵路內燃機車活塞環按其用途可分為氣環、油環兩大類。活塞環作用是密封、刮油、傳熱、支承等，氣環主要作用是密封，因此必須具有一定的初始彈力，形成第一次密封；在氣缸爆發膨脹的過程中，燃燒室的高壓氣體使活塞環的徑向和軸向產生不平衡力，在它們的作用下，活塞環被壓向環槽下側，同時環背方面的徑向不平衡力將環的工作表面壓向缸壁，形成2次密封。油環的作用是刮除汽缸壁上多余的機油，使氣缸壁上形成一層均勻的相對穩定的油膜。

2 陶瓷活塞環技術標準

2.1 基本要求

2.1.1 性能

活塞環是內燃機車中在高溫、高壓條件下唯一做三個方向運（軸向、徑向和旋轉）的零件，使用條件最為苛刻，因此，陶瓷活塞環的基體必須具有較高硬度，較強的耐磨性、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材料最重要的性能。

2.1.2 材料

機車用內燃機車陶瓷活塞環的基體材料通常是合金鑄鐵或球墨鑄鐵，我國規定合金鑄鐵是指鉻鉬合金鑄鐵和鎢合金鑄鐵，其化學成分、金相組織等必須滿足TB/T1382-2006標準的規定。合金鑄鐵活塞環的基本硬度為201-247HV0.2，球墨鑄鐵活塞環的基體硬度為381-454HV0.2。直徑≤200mm的活塞環，同一片活塞環上的硬度差≤5個單位；直徑＞200mm的活塞環，硬度差≤6個單位。環坯硬度不合格時，允許用回火調整，但調整的次數不超過2次。

2.1.3 彈性模量與抗彎強度比

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

2.2 活塞環復合陶瓷表面強化處理

2.2.1 簡介

當前，鐵路內燃機車活塞環廠家一般采用鍍鉻、噴鉬、磷化、鍍錫等處理工藝，提高活塞環耐磨、耐熱和耐腐蝕性能；陶瓷活塞環是采用低溫等離子體PCVD化學氣相沉積工藝，在活塞環表面積沉積BNSiN復合薄膜材料，陶瓷材料與金屬基本之間形成雙向擴散。在結構上，為網絡結構與超微粒子并存，超微粒子隨機分布于網絡中。由于網絡結構有貯油減磨功能，這樣使材料既有硬度又有強度，摩擦系數降低，并有良好的韌性和表面粗糙度。

2.2.2 流程

1）表面強化處理前的檢測——活塞環的表面不允許有裂紋、夾渣、飛邊和毛刺。活塞環外圓面和2個側面上允許存在直徑≤0.4mm、相距≥10mm、距棱邊≥0.5mm的孔眼；上下側面上的缺陷至少錯開10mm；內圓面上允許直徑≤1mm、相距≥10mm、距棱邊≥0.5mm的孔眼；內棱邊上允許存在直徑≤0.5mm、相距≥10mm的孔眼和缺角，允許的缺陷數量在同一片環上不應超過3個；開口端內棱角上允許存在≤1.0mm的缺口；油環內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——清洗是活塞環在表面強化處理時取得較好效果的主要工序，清洗后放入專用加熱設備中烘干，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，同時保證被激活的氣相物質的流動和擴散，使氣相物質附在工件表面。

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

5）注入氣體——按一定比列通入氮氣、硅烷、硼烷。

6）加高頻電壓——在爐內上、下極板間加高頻電壓以產生等離子態及不斷補充氣相分子的激活能量，從而保證氣相分子較好的擴散并附著在工件表面，發生反應生成陶瓷物質，且有足夠的能量使陶瓷物質向金屬基體內擴散。

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

2.2.3 技術參數

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

2）陶瓷處理后各配合表面粗糙度：2個側面和外圓面經加工后Ra的上限值均為0.63um。比處理前提高1～2個數量級。

3）陶瓷層具有超微粒子網絡狀結構，沉積深度20～30um，增加膜厚1～3um，陶瓷層與基體的結合強度大于19.6MPa。

4）復合陶瓷處理的活塞環摩擦系數比處理前降低，范圍在0.040～0.050。

2.3 陶瓷活塞環工藝尺寸

2.3.1 徑向厚度公差

環直徑≤200mm時，徑向厚度公差≤0.2.mm；環直徑＞200mm時，徑向厚度公差≤0.30mm；同一片環上的徑向厚度差≤0.18mm。

2.3.2 環高公差

環直徑≤200mm時，環高公差≤0.02mm；環直徑＞200mm時，環高公差≤0.03mm。

2.3.3 油環的刮油邊徑向偏移度

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

2.3.4 撓曲度

環直徑≤200mm時，撓曲度≤0.06mm；環直徑＞200mm時，撓曲度≤0.07mm。

2.3.5 自由開口尺寸

不同型號的活塞環自由開口尺寸不同，但應符合產品設計圖樣規定，其公差值均≤設計值的±10%。

2.4 陶瓷活塞環光密封度

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

2.5 陶瓷活塞環的彈力

陶瓷活塞環的彈力應符合產品設計圖樣的規定，其公差值≤±20%。彈力消失率在試驗條件下為300oC，環閉合至基本尺寸3h后，陶瓷合金鑄鐵整體環，彈力最大消失率≤12%；陶瓷球鑄鑄鐵整體環，彈力最大消失率≤18%。在試驗條件為250℃，環閉合至基本尺寸5h后，陶瓷合金鑄鐵和球墨鑄鐵組合油環彈力最大消失率均≤25%。

2.6 陶瓷活塞環殘磁

陶瓷活塞環殘磁的磁感應強度≤0.3mT。

3 陶瓷活塞環檢測試驗

3.1 彈力

陶瓷活塞環在徑上需要一定的彈力，才能保證活塞環與氣缸嚴密結合，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，在開口端切線方向拉緊，使環保持閉口間隙時所需要施加的力，用彈力測量儀測定（如圖1）；組合環是在使開口端振動條件下測定（如圖2）。現場工作人沒有條件測量，可用新舊環對比來判斷活塞環彈力情況。

圖1 整體環彈力測試

圖2 組合環彈力測試

3.2 閉口間隙

將陶瓷活塞環平放入直徑等于氣缸基本直徑的環規中，然后用厚薄規測量其開口間隙，間隙應符合設計要求。在現場工作中，將環推至氣缸工作位置后，間隙不可過大，也不能過小，過大會使密封性能變差，過小會使活塞環工作中受熱膨脹卡在氣缸內，引起活塞環被折斷甚至造成“拉缸”。環開口間隙小，可用細平銼銼削開口。銼后放入氣缸內檢查，直到開口間隙合適為止。

3.3 光密封度

將陶瓷活塞環平放入直徑等于氣缸基本直徑的環規內，并在環規下面用適當光源照射，觀察環與環規間光線不能通過的百分率。

3.4 硬度

在環境條件下為溫度200C，相對濕度60%，在環口附近、離口900和18003處各1點，用維氏硬度小負荷200gf試驗方法，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，滲透金屬內部0.02～0.03mm，金相觀察如圖3、圖4所示。

3.6 摩擦系數

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

圖3 陶瓷薄膜20×

圖4 陶瓷薄膜100×

4 陶瓷活塞環包裝、貯存

4.1 包裝

陶瓷活塞環包裝時應涂機油或防銹油，并用防水材料包好，包裝盒上注明：廠家、產品名稱、圖號或型號、數量等。

4.2 貯存

陶瓷活塞環是精密加工而制成的，保存時應平放，包裝好的活塞環放在通風干燥的倉庫中，確保至少12個月內不出現銹蝕現象。

5 陶瓷活塞環的安裝要求

5.1 安裝前應檢查陶瓷活塞環和環槽是否清潔，測量氣缸內徑，掌握氣缸磨損、變形程度和加工精度等。

5.2 活塞環安裝必須保證平正，應使用專用的拆裝工具，將活塞環撐開裝到環槽中時，容易產生扭曲，也易使活塞環折斷，因此開口處應盡可能使用正確的切向作用力。

5.3 陶瓷活塞環開口擴張不能超過厚度的8倍，否則就超過環的設計應力，使活塞環有折斷或變形的危險，也不要隨便的用手閉合開口，以免產生變形。

5.4 安裝錐面環時要特別注意標志的安裝方向。

5.5 陶瓷活塞環裝入環槽后，應與槽有一定的側隙，使活塞環能在槽內運動。側隙的大小可用厚薄規測量。側隙過小時，可在細砂布上研磨，側隙過大則不能使用。

6 應用效果

陶瓷活塞環，目前已在上海、南昌、濟南、哈爾濱、武漢、烏魯木齊等鐵路局機務段裝車使用，使用壽命較其他方法處理的活塞環明顯延長；從各使用單位統計數據看，有較好的節約燃油機油的效果；陶瓷活塞環的貯油性和非金屬性，使活塞、缸套等磨損同時降低，實現較好的匹配效果，受到用戶和技術專家的充分肯定，獲得國家技術專利，為安徽省科技成果和高新技術產品，被鐵道部列為內燃機車重要件定點驗收產品。

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［3］李九林.金屬硬度試驗方法國家標準實施指南[M].北京：中國標準出版社，2004.

［4］GB/T 1149.4-94內燃機活塞環 技術要求[S].

［5］GB/T 1149.6-94內燃機活塞環 檢驗方法[S].

［6］TB/T 1382-2006鐵路內燃機車用柴油機零部件活塞環[S].