国内外球墨铸铁活塞环材料

资源类型:pdf 资源大小:649.00KB 文档分类:工业技术 上传者:冯长春

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【作者】 林祥华  胡元军  周伟 

【关键词】球墨铸铁 活塞环 铸造材料 

【出版日期】2005-04-25

【摘要】介绍球墨铸铁活塞环材料的性能要求、铸造工艺、材料种类等内容,详细介绍国内及德国、日本、美国、英国等国家活塞环铸造材料规格、金相组织和力学性能。

【刊名】内燃机配件

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1 前言随着发动机的强化 ,活塞环承受的冲击负荷增加 ,惯性力变大。一方面 ,要求环的重量减轻 ,环的高度减薄 ,而将增加环断裂的危险 ,特别是第一道气环 ,承受冲击负荷最大 ,容易折断。顶环 (第一道环 )的工作环境特别恶劣 ,其材料需要耐热、耐磨、有较高的强度 ,同时要求具有较高的弹性模量来保持与气缸壁的接触压力。球墨铸铁环因其材料特性好而得以广泛应用。铸造活塞环种类日益增多、材料比较复杂。在这篇文章中 ,我们介绍了国外主要活塞环公司及部分国内生产厂家的球墨铸铁活塞环材料 ,国外厂家有德国格茨公司 (GOETZE )、日本活塞环公司(NPR)、日本理研活塞环公司 (RIKEN)、日本帝国活塞环公司 (TP)等 ,此外还列出了国外部分车型的活塞环材料 ,如美国福特汽车公司 (FordMotor)、英国活塞环公司 (Wellworthy)、意大利FIAT等。根据铸造生铁和各种铁合金资源的特点 ,国内的活塞环厂家已初步形成了具有一定特色的活塞环材料 ,但与国外材料相比 ,仍存在很大的局限性 ,形成这一局面的原因 ,一方面是国内活塞环生产厂家的材料设计能力不足 ,没有足够的经济实力进行新材料的前期试验 ,另一方面是国内主机厂对活塞环材料的认识水平不够 ,大多数情况下只能是对国外进口机型活塞环材料的模仿。就目前国内现有的活塞环材料来说 ,主要的制约在于原材料质量和工艺的稳定性不够 ,带来了活塞环力学性能波动较大。2 活塞环材料的性能及铸造工艺2 .1 活塞环材料的性能要求发动机向高速和强化方向发展 ,活塞环需要从设计、制造、材质及表面处理等方面进行改进 ,以达到活塞环的密封、调节润滑油、导热和支承作用。发动机对活塞环材料的性能要求主要有 :(1)弹性及弹性模量 ;(2 )抗弯强度与疲劳强度 ;(3)热稳定性 ;(4)耐磨性与贮油性 ;(5 )硬度。2 .2 活塞环材料的铸造工艺19世纪中叶 ,出现了内燃机 ,也产生了活塞环的制造技术。 185 5年英国J·Ramsbotton制造出最早的单自张式金属活塞环 ,奠定了发动机活塞环的基本结构形式。一个半世纪以来 ,活塞环的理论、设计、结构形式也发生了很大的变化。从早期至今活塞环制造方法经历了同心车削法、偏心车削法、锤击、滚压成型法到热定型法、铸造成型法的过程。铸造的方法加工余量小而均匀 ,热稳定性好 ,环径向厚度均匀 ,可以获得理想的径向压力分布。活塞环毛坯铸造的主要方法 ,包括单体铸造、筒体铸造及介于两者之间的双片或短筒体铸造。(1)单体铸造 :大批量生产的合金铸铁活塞环 ,几乎是单体椭圆毛坯。单体铸造的方法适用于缸径小于 16 0mm、批量较大的活塞环生产。单体铸造活塞环残余应力小 ,使用时弹力消失较少 ,径向压力分布易于达到设计要求。椭圆形毛坯靠模加工 ,就能获得漏光度小、热稳定性好、弹力较强、径向压力分布合理的活塞环。(2 )筒体铸造 :筒体铸造的毛坯是先切割成环坯 ,再进行加工 ,适用于直径较大的船用低速柴油机活塞环和直径较小的摩托车活塞环。筒体铸造生产工艺简单 ,工艺装备较少 ,生产效率较高 ,筒体环弹性模量大 ,抗弯强度高。工艺灵活性大 ,生产管理方便 ,适合于小批量生产。(3)双片或短筒体铸造 :双片铸造是针对球墨铸铁活塞环而采用的一种铸造方法 ,现已逐步用于合金铸铁环的生产 ,双片铸造的毛坯能切割成两片。短筒体铸造的毛坯一般可以切割成 8~ 15片单片环。这是一种介于筒体和单体之间的造型工艺。出现的轴向缩松可以在切片时切掉 ,得到完好的活塞环。而采用单片铸造球墨铸铁活塞环 ,应从工艺上避免轴向缩松的产生。球墨铸铁环短筒体铸造生产毛坯 ,环模高度增加 ,环体轴向缩松增大 ,心部必须留有足够的割片余量。3 活塞环材料的种类目前球墨铸铁活塞环已得到广泛应用 ,过去强化发动机上所采用的可锻铸铁活塞环 ,几乎已被球墨铸铁活塞环代替。铸铁活塞环因为较好地符合了活塞环的各种性能要求。GB/T114 9.4《内燃机活塞环 技术要求》中列出了球墨铸铁材料规格 ,见下表 :级别力学性能 MPa适应所要求力学性能的材料典型弹性模量最低抗弯强度最低硬度值特殊要求5 0 160 0 0 0110 013 0 013 0 013 0 0—2 3HRC2 3HRC2 8HRC95HRB97HRB热处理马氏体热处理马氏体热处理马氏体珠光体铁素体作为活塞环用的铸铁材料大致分为 :灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁 ,而合金铸铁和球墨铸铁最为常用。4 国内活塞环材料介绍下面介绍国内常见的四种活塞环材质。(1)铬钼球墨铸铁活塞环材料化学成份 (% ) :C 3.5~ 3.9 Si2 .6~ 2 .9 Mn0 .6~ 0 .8 P≤ 0 .1 S≤ 0 .0 3 Cr 0 .1~ 0 .4 5 Mo0 .1~ 0 .4 5 典型Mg残 0 .0 2 1 典型Re0 .0 32力学性能 :硬度 10 5~ 112HRB ,抗弯强度 94 0~16 0 0MPa ,弹性模量 15 0~ 180GPa。(2 )钼铜球墨铸铁活塞环材料化学成份 (% ) :C 3.4~ 3.9 Si2 .5~ 3.0 Mn0 .2~ 0 .5 P≤ 0 .1 S≤ 0 .0 3 Mo 0 .1~ 0 .4 Cu0 .1~ 0 .5 Mg残 0 .0 1~ 0 .0 4 Re 0 .0 15~ 0 .0 5力学性能 :硬度 10 5~ 112HRB ,抗弯强度≥130 0MPa ,弹性模量≥ 15 5GPa。(3)稀土镁球墨铸铁化学成份 (% ) :C 3.5~ 3.9 Si2 .4~ 3.2 Mn0 .6~ 0 .8 P≤ 0 .1 S≤ 0 .0 3典型Mg残 0 .0 2 典型Re 0 .0 3力学性能 :硬度 10 4~ 112HRB ,抗弯强度 94 0~16 0 0MPa ,弹性模量 15 0~ 180GPa。(4)低锰稀土镁球墨铸铁化学成份 (% ) :C 3.4~ 3.9 Si2 .5~ 3.0 Mn≤ 0 .5 P≤ 0 .1 S≤ 0 .0 3 Mg残 0 .0 1~ 0 .0 4 Re0 .0 15~ 0 .0 5力学性能 :硬度 10 4~ 112HRB ,抗弯强度≥130 0MPa ,弹性模量≥ 15 0GPa。5 国外活塞环材料介绍5 .1 德国GOETZE公司德国FEDERAL MOGULBurscheid公司 (GOET ZE)主要包括单体双片、四片工艺的球墨铸铁活塞环材料 :(1)材料 :K9材料牌号 :KV1,特殊材料G6 ,球墨铸铁。范围 :缸径 2 0 0mm以内的高强度活塞环。化学成份 (% ) :C 3.7~ 4 .2 Si2 .4~ 3.2 Mn≤ 0 .5 P≤ 0 .3 S≤ 0 .0 5 Cr≤ 0 .2 Mg≤ 0 .1其它元素可作为杂质保留。金相组织 :石墨接近球状 ,基体组织为调质组织 ,允许单个碳化物存在。力学性能 :硬度 10 4~ 112HRB或 310~4 30HB ,抗弯强度≥ 130 0MPa ,弹性模量≥ 15 0GPa。2 0~ 10 0℃热膨胀系数 :10 .0× 10 - 6 mm/mm℃或 10 - 6 /K ,比重 7.3g/cm3(2 )材料 :K2 2材料牌号 :KV4 ,特殊材料G6 ,球墨铸铁。范围 :缸径 2 0 0mm以内的高强度、高硬度活塞环。化学成份 (% ) :C 3.7~ 4 .2 Si2 .4~ 3.2 Mn≤ 0 .5 P≤ 0 .3 S≤ 0 .0 5 Cr≤ 0 .2 Mg≤ 0 .1其它元素可作为杂质保留。金相组织 :石墨接近球状 ,基体组织为调质组织 ,允许单个碳化物存在。力学性能 :硬度 4 0~ 4 6HRC或 390~ 4 70HB ,抗弯强度≥ 130 0MPa ,弹性模量≥ 15 0GPa2 0~ 10 0℃热膨胀系数 :10 .0× 10 - 6 mm/mm℃或 10 - 6 /K ,比重 7.3g/cm3(3)材料 :GOE 5 2材料牌号 :球墨铸铁 ,参见KV1。化学成份 (% ) :C 3.5~ 4 .0 Si2 .4~ 3.2 Mn≤ 0 .5 P≤ 0 .3 S≤ 0 .0 5 Cr≤ 0 .2 Cu≤ 1.0 Mg≤ 0 .1其它元素可作为杂质保留。金相组织 :石墨接近球状 ,基体组织为调质组织 ,允许单个碳化物存在。力学性能 :硬度 10 4~ 112HRB或 2 5~ 4 2HBC ,抗弯强度≥ 130 0MPa ,弹性模量≥ 15 0GPa2 0~ 10 0℃热膨胀系数 :10 .0× 10 - 6 mm/mm℃或 10 - 6 /K ,比重 7.3g/cm3(4)材料 :GOE 5 6材料牌号 :球墨铸铁 ,参见KV4。化学成份 (% ) :C 3.5~ 4 .0 Si2 .4~ 3.2 Mn≤ 0 .5 P≤ 0 .3 S≤ 0 .0 5 Cr≤ 0 .2 Cu≤ 1.0 Mg≤ 0 .1其它元素可作为杂质保留。金相组织 :石墨接近球状 ,基体组织为调质组织 ,允许单个碳化物存在。力学性能 :硬度 4 0~ 4 6HRC或 390~ 4 70HB ,抗弯强度≥ 130 0MPa ,弹性模量≥ 15 0GPa2 0~ 10 0℃热膨胀系数 :10 .0× 10 - 6 mm/mm℃或 10 - 6 /K ,比重 7.3g/cm35 .2 日本TP公司日本帝国活塞环公司 (TP)球墨铸铁活塞环主要有P2 11、P2 2 1、P2 2 2、P2 32、L2 11,现列出其中的三种 :(1)材料牌号 :P2 2 1化学成份 (% ) :C 3.3~ 4 .1 Si2 .0~ 3.2 Mn0 .2~ 0 .6 P≤ 0 .15 S≤ 0 .0 3金相组织 :回火索氏体 +球状石墨。力学性能 :硬度 10 0~ 110HRB ,抗弯强度≥5 5 0MPa ,弹性模量≥ 14 0GPa ,耐热性 (弹力减退率30 0℃× 1h)≤ 7%(2 )材料牌号 :P2 2 2化学成份 (% ) :C 3.3~ 4 .1 Si2 .0~ 3.2 Mn0 .2~ 0 .6 P≤ 0 .15 S≤ 0 .0 3 Cr 0 .1~ 0 .4 Mo0 .5~ 1.0 Cu 0 .5~ 1.0金相组织 :回火索氏体 +球状石墨。力学性能 :硬度 30~ 4 0HRC ,抗弯强度≥80 0MPa ,弹性模量≥ 15 0GPa ,耐热性 (弹力减退率30 0℃× 1h)≤ 7%(3)材料牌号 :P2 32化学成份 (% ) :C 2 .8~ 4 .0 Si3.5~ 5 .0 Mn≤ 0 .5 P≤ 0 .2 S≤ 0 .0 5 Cr 0 .1~ 0 .4 Mo 0 .5~ 1.0 Cu 0 .5~ 1.0金相组织 :球状石墨。力学性能 :硬度 87~ 10 5HRB ,抗弯强度≥4 0 0MPa ,弹性模量≥ 14 0GPa ,耐热性 (弹力减退率30 0℃× 1h)≤ 5 %5 .3 日本RIKEN公司日本理研活塞环公司 (RIKEN)球墨铸铁活塞环主要有RIK— 2 0、RIK— 2 0A、RIK— 2 1、RIK—2 1A、RIK— 2 2、RIK— 2 3、RIK— 2 4、RIK— 2 5、RIK— 2 6、RIK— 2 7、RIK— 2 8,现列出其中的四种 :(1)材料牌号 :RIK— 2 0缸径范围≤ 10 0mm化学成份 (% ) :C 3.5~ 4 .2 Si2 .2~ 3.4 Mn0 .2~ 0 .8 P≤ 0 .2 S≤ 0 .0 5力学性能 :硬度 10 0~ 110HRB ,抗弯强度≥10 0 0MPa ,典型弹性模量 16 0GPa ,耐热性 (弹力减退率 30 0℃× 1h)≤ 7%(2 )材料牌号 :RIK— 2 1缸径范围 > 2 0 0mm化学成份 (% ) :C 3.3~ 4 .0 Si2 .0~ 3.2 Mn0 .2~ 0 .8 P≤ 0 .2 S≤ 0 .0

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