铁路内燃机车陶瓷活塞环技术标准的研究与探讨
时间：2021-01-07 04:03:37 来源：雅意学习网 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。
