CN105351107A - 内燃机用蠕墨铸铁活塞环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机用蠕墨铸铁活塞环，包括活塞环本体，所述活塞环本体的上表面、下表面和朝活塞环槽的一面覆盖有一层防粘膜，活塞环本体与汽缸接触的一面设有一层耐磨层，所述耐磨层沿着活塞环本体与汽缸接触的一面延伸形成第一舌部和第二舌部，所述第一舌部的外周面形成鼓出的圆筒形状，并在所述活塞环本体与汽缸接触的一面形成开口部，所述第二舌部的外周面形成鼓出的圆筒形状，并在所述活塞环本体与汽缸接触的一面形成开口部。本发明的活塞环在高温下能长期维持防止粘着的效果，解决汽缸内周面的接触面磨损不均匀的问题，提高了活塞环本体的综合性能，使活塞环更经久耐用。

Description

内燃机用蠕墨铸铁活塞环

技术领域

本发明涉及内燃机零部件领域，特别涉及一种内燃机用蠕墨铸铁活塞环。

背景技术

近年，随着延长汽车用发动机寿命以及提高燃油效率的市场要求，对该发动机所使用的活塞环提出了宽度小且重量轻、低张力且摩擦损失小的要求。此处，活塞环被安装在活塞上，用于实现汽缸内中的活塞的平滑往复运动，以及对高温的燃烧气体进行密封。安装有活塞环的活塞使汽缸内形成燃烧室，从而该燃烧室内的燃料的燃烧所产生的爆炸压力转化为曲轴的旋转。因此，要求安装于活塞的活塞环具有能够承受该燃烧室中的爆炸冲击，以及能够长时间地、稳定地密封高温的燃烧气体的功能。如果活塞环无法实现这种密封性的提高时，将造成发动机输出功率的降低或耗油量的增加等。为了提高上述的耐冲击性和气密性，在活塞环中，存在能避免初始运行时的异常磨损的材质、或可有效地防止气体的泄漏（漏气）并适用于润滑理论的形状等与发动机的特征相对应的各种种类。例如，对于柴油发动机用活塞来说，随着根据近年的排放控制措施而导致的内燃机的燃烧压力增大，活塞受到的载荷增大，由于必须能承受这样的严苛的使用条件，因此活塞环槽的材质成为钢制或者铸铁制。因此，当安装与活塞环槽材质相同的活塞环时，容易发生粘着磨损。为了抑制该粘着磨损的发生，柴油发动机用活塞上所安装的活塞环的形状构成为，该活塞环的上表面和/或下表面侧具有和该活塞环槽相同的倾斜角度的形状。如果，活塞和活塞环之间发生粘着磨损，则活塞环上下表面和活塞的活塞环槽之间的密封性变差，造成发动机输出功率的降低或耗油量的增大等。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种内燃机用蠕墨铸铁活塞环，使活塞环在高温下能长期持续地维持防止粘着的效果，解决汽缸内周面的接触面磨损不均匀的问题，同时，通过改变活塞环的合金元素，优化制造工艺，来提高活塞环本身的综合性能，使活塞环更经久耐用。

本发明采用的技术方案如下：一种内燃机用蠕墨铸铁活塞环，包括活塞环本体，所述活塞环本体的上表面、下表面和朝活塞环槽的一面覆盖有一层防粘膜，活塞环本体与汽缸接触的一面设有一层耐磨层，所述防粘膜包括第一皮膜和第二皮膜，所述第一皮膜覆盖在所述第二皮膜上，所述第二皮膜覆盖在活塞环本体上，所述耐磨层沿着活塞环本体与汽缸接触的一面延伸形成第一舌部和第二舌部，所述第一舌部的外周面形成鼓出的圆筒形状，并在所述活塞环本体与汽缸接触的一面形成开口部，所述第二舌部的外周面形成鼓出的圆筒形状，并在所述活塞环本体与汽缸接触的一面形成开口部，即在耐磨层中部形成一间隙。

由于上述结构的设置，可以减小活塞环与活塞之间摩擦力，进而减缓粘接现象的发生，即第一皮膜由聚四氟乙烯组成，聚四氟乙烯具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂，同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，应用广泛，用作防粘层是最理想的材料，因此，能够通过初期的与环槽表面之间的滑动而在短时间内除去环槽表面的突起，同时不会大幅损伤环槽表面。在活塞环中，活塞的上下运动和燃烧压力会使活塞环的上下侧面叩击环槽表面，即当活塞往下运动时，活塞环槽的上侧面与防粘膜上表面发生叩击滑蹭，当活塞往上运动时，活塞环槽的下侧面与防粘膜下表面发生叩击滑蹭，两种运动都会让活塞环受到强的应力。但是，在本发明的活塞环中，由于在早期除去环槽表面的突起而不损伤环槽表面，因此，环槽表面对活塞环的防粘膜的攻击性也在早期降低。并且，防粘膜使得与环槽表面间的叩击滑蹭所引起的应力被缓和，故聚防粘膜得以长期维持，能够持续维持优异的防止粘着的效果。将活塞环本体与汽缸接触的一面设置一层耐磨层，即耐磨层与汽缸内壁接触，一方面可以提高活塞环的耐磨性，另一方面，耐磨层设置成第一舌部和第二舌部的缘由是，由于第一舌部的外周面以及第二舌部的外周面分别形成为圆筒形状，因此在第一舌部的外周面以及第二舌部的外周面上分别存在有圆筒中央部。因此，通过第一舌部或者第二舌部的圆筒中央部确保了活塞环的密封性，从而抑制了燃烧废气从燃烧室侧向曲柄室侧穿过。其结果为，活塞环的耐久性提高，防止了在恒定的位置接触面压变高，抑制了活塞环、工作缸内周面的不均匀磨损。

进一步，所述第二皮膜为磷酸锰皮膜，厚度为5-10μm，所述第一皮膜为聚四氟乙烯皮膜，厚度为15-30μm，所述耐磨层碳化钨涂层，平均厚度为50-200μm，所述第二皮膜形成方法为，对活塞环本体的上下侧面以及朝活塞环槽的一面进行研磨加工，使该上下侧面成为平台结构，然后对该活塞环的外周面进行离子镀敷，形成厚度约20μm的碳化钨皮膜，进行碱法脱脂后，在温度为80℃的磷酸锰水溶液中浸渍6min，从而在活塞环本体的外周面上形成磷酸锰皮膜，所述第一皮膜形成方法为，用印刷法将聚四氟乙烯涂布在所述第二皮膜上，所述碳化钨涂层用热喷涂法喷涂，然后再精加工成上述形状。

进一步，所述活塞环本体为蠕墨铸铁制成，所述蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.4-3.8%，硅为2.1-2.6%，钼为0.1-0.3%，锰为0.2-0.3%，铌为0.2-0.3%，铬为0.1-0.2%，锡为0.01-0.03%，锑为0.01-028%，钒为0.1-0.18%，钛为0.15-0.25%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质。

进一步，所述蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.55%，硅为2.2%，钼为0.15%，锰为0.27%，铌为0.24%，铬为0.15%，锡为0.025%，锑为0.023%，钒为0.14%，钛为0.18%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质。

进一步，所述蠕墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

步骤1、原料准备及铁液熔炼，铁液熔炼时，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1400℃左右，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1440℃，然后向熔池中，连续加入铬铁和锰铁，使熔池中的铬含量和锰含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1470℃，保持10min；

步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、金属锡、钒铁和钛铁，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分；

步骤4、将占铁液总重量0.55％的CaC₂粉体装于空心T形耐火材料管内，将T形管插入铁液包内，使其按65rad/min速度搅拌，搅拌时间5min；

步骤5、将浇注处理包在400℃进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖剂和金属锑置于包底；

步骤6、将步骤4得到铁液进行合金成分检验，检验合格后，用冲入法将铁液倒入浇注处理包中，出炉温度控制在1470℃，当出铁液到包内约3/4时，停止出铁，然后加入占铁液重量0.9％的稀土镁钙蠕化剂和0.45％的75硅铁孕育剂，出铁槽冲入法孕育；孕育处理完成后，将剩余的1/4的铁液倒入钢包内，并搅拌5min；

步骤7、步骤6完成后，采用占铁水重量0.25％的珍珠岩除渣剂进行扒渣2次，用0.3％珍珠岩保温覆盖剂在铁水表面形成40mm厚的保温覆盖层；

步骤8、蠕化处理后，在17min内将铁水浇注完毕，得到活塞环铸件。

进一步，将得到的活塞环铸件进行热处理，其工艺为：将活塞环铸件置于热处理炉中并加热到880℃，保温2h后油淬，油淬后再将活塞环铸件加热至550℃回火2.5h，回火完成后空冷至室温，最后将热处理后的活塞环铸件机械加工至设计尺寸，检验合格后包装入库。

在本发明的蠕墨铸铁所用原料中，铬无论共晶、共析过程均阻碍石墨化，促进珠光体生成，由于铬元素和铁元素均为体心立方结构，铬原子半径与α-Fe的原子半径非常接近，无论在室温还是较高温度下，铬在α-Fe中的溶解度均较高，使铬能固溶入铁基体中，置换铁元素，起到固溶强化作用，铬还可形成高硬度复杂的Fe-Cr-C化合物，对基体起到弥散强化作用；碳是促进石墨化的元素，碳含量越高，蠕墨铸铁中石墨化过程越容易进行，蠕墨铸铁组织中石墨数量就多，一般蠕墨铸铁中碳的含量控制在3.4-3.8％的范围内，碳含量在该范围内铁水流动性好，易补缩，收缩小，可获得优良的铸造性能；硅含量对基体影响十分显著，主要用来防止白口，控制基体中珠光体含量。随着硅量增加，基体中珠光体量逐渐减少，铁素体量逐渐增加。为了获得较高的性能要求，且得到珠光体基体的蠕墨铸铁，可以适当减少硅量，综合考虑，本发明中的硅含量控制在2.1-2.6%；锰在蠕墨铸铁中起稳定珠光体的作用，在常规含量内对石墨蠕化无影响，因此未减少锰带来的影响，本发明中猛地含量在常规含量之内。本发明原料中的钒和钛能有效地细化、稳定珠光体，同时钒和钛与碳、氮均有高的亲和力而形成显微硬度极高的硬化相钒钛碳氮化合物，提高强度、耐磨性能和耐热疲劳性能，另外，钒和钛增加了白口倾向，属于干扰元素即反球化元素，可以适当拓宽蠕化范围，有利于蠕化处理。

在本发明的蠕墨铸铁所用原料中，锑是一个强烈促进珠光体的金属元素，主要起强化铸铁机体组织、细化晶粒的作用，用以提高铸铁的硬度和耐磨性，查阅研究数据表明，当锑的含量超过0.07%时，蠕墨会发生变态，周围会出现分解、细小分枝。同时加入的锑元素还可以和磷形成低熔点的共晶体，在共晶团之间最后析出，形成含锑的磷共晶组织，锑金属形成的珠光体，可以稳定钒钛质点和磷共晶体，使得硬度和耐磨性显著提高，故对于耐磨件可适当提高磷的含量；蠕墨铸铁中加入锡是为了提高蠕墨铸铁的耐磨性，有助于蠕墨铸铁耐热疲劳性能的提高，提高蠕墨铸铁的耐龟裂和耐开裂性能，由于锡使铸铁中石墨细化，数量减少，稳定并细化珠光体，使得珠光体层片间距减小，起到了钉扎位错的作用，进而提高了耐磨性能；铌是活性元素，它与碳有极强的亲和力，阻碍石墨化，但若添加量合适时，在蠕墨铸铁中铌与碳、氮、硫氧等组成的夹杂物可成为石墨核心，因此铌对石墨化起促进作用；稀土对铁液而言都是强烈的变质元素，具有很强的中和干扰元素的能力，稀土加入到铁液中首先与硫等元素反应，使铁液净化，铁液净化后残留的少量稀土就能对石墨起变质作用，因此本发明采用稀土镁钙蠕化剂来蠕化处理，稀土和镁在比较宽的配比范围内，都可以得到蠕虫状石墨。

在宏观上，提高了蠕墨铸铁活塞环的抗热疲劳强度、抗拉强度、延伸率、韧性、屈服强度和耐磨性，提高了蠕墨铸铁活塞环的蠕化率，使其白口倾向小，使蠕墨铸铁活塞环还具备了合金铸铁的减振性和导热性；在上述的制备方法中，为了得到缺陷少，成分合格的蠕墨铸铁活塞环，在加料顺序上，先加入不易烧损的合金元素，如锰和铬等，然后加入稀有且易烧损的合金元素，保证这些元素能被铁液充分吸收，而不会被蒸发移除铁液外；通过用T形管搅拌铁液，一方面有利于铁液内有害气体的逸出，另一方面使铁液内的合金元素分布更均匀，熔炼的铁液质量更好，保证熔炼过程无蓬料、过烧等现象；在蠕化和孕育阶段，通过添加稀土镁钙蠕化剂和75硅铁孕育剂，使蠕化过程和孕育过程进行得更充分，提高了铸铁的蠕化率，因此，通过优化制备工艺，降低了蠕墨铸铁活塞环废品率，进而降低了生产成本，提高了生产效率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的蠕墨铸铁活塞环在高温下能长期持续地维持防止铝粘着的效果。

2、本发明的蠕墨铸铁活塞环结构，解决了汽缸内周面的接触面磨损不均匀的问题。

3、再制造蠕墨铸铁活塞环的工艺上，通过改变活塞环的合金元素，优化制造工艺，提高活塞环本身的综合性能，降低了蠕墨铸铁活塞环废品率，提高了生产效率，使活塞环更经久耐用。

附图说明

图1是本发明的活塞环安装在活塞环槽后在轴向方向上的剖面结构图。

图中标记：1为活塞环本体，2为防粘莫，3为耐磨层，4为活塞，5为汽缸，201为防粘膜上表面，202为防粘膜下表面，301为间隙，401为活塞环槽上侧面，402为活塞环槽下侧面，501为汽缸内壁。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，一种内燃机用蠕墨铸铁活塞环，包括活塞环本体1，所述活塞环本体1的上表面、下表面和朝活塞环槽的一面覆盖有一层防粘膜2，活塞环本体1与汽缸接触的一面设有一层耐磨层3，所述防粘膜2包括第一皮膜和第二皮膜，所述第一皮膜覆盖在所述第二皮膜上，所述第二皮膜覆盖在活塞环本体1上，所述耐磨层3沿着活塞环本体1与汽缸5接触的一面延伸形成第一舌部和第二舌部，所述第一舌部的外周面形成鼓出的圆筒形状，并在所述活塞环本体1与汽缸接触的一面形成开口部，所述第二舌部的外周面形成鼓出的圆筒形状，并在所述活塞环本体1与汽缸5接触的一面形成开口部，即在耐磨层中部形成一间隙301。

所述第二皮膜为磷酸锰皮膜，厚度为5-10μm（最佳厚度为8μm，根据活塞环的尺寸大小，也可以选择5μm或者10μm），所述第一皮膜为聚四氟乙烯皮膜，厚度为15-30μm（最佳厚度为20μm，根据活塞环的尺寸大小，也可以选择15μm或者30μm），所述耐磨层3碳化钨涂层，平均厚度为50-200μm（最佳厚度为150μm，根据活塞环的尺寸大小，也可以选择50μm或者300μm），所述第二皮膜形成方法为，对活塞环本体的上下侧面以及朝活塞环槽的一面进行研磨加工，使该上下侧面成为平台结构，然后对该活塞环的外周面进行离子镀敷，形成厚度约20μm的碳化钨皮膜，然后进行碱法脱脂后，在温度为80℃的磷酸锰水溶液中浸渍6min，从而在活塞环本体1的外周面上形成磷酸锰皮膜，所述第一皮膜形成方法为，用印刷法将聚四氟乙烯涂布在所述第二皮膜上，所述碳化钨涂层用热喷涂法喷涂，然后再精加工成上述形状。

由于上述结构的设置，可以减小活塞环与活塞4之间摩擦力，进而减缓粘接现象的发生，即第一皮膜由聚四氟乙烯组成，聚四氟乙烯具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂，同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，应用广泛，用作防粘层是最理想的材料，因此，能够通过初期的与环槽表面之间的滑动而在短时间内除去环槽表面的突起，同时不会大幅损伤环槽表面。在活塞环中，活塞的上下运动和燃烧压力会使活塞环的上下侧面叩击环槽表面，如图1所示，当活塞往下运动时，活塞环槽的上侧面401与防粘膜上表面201发生叩击滑蹭，当活塞往上运动时，活塞环槽的下侧面402与防粘膜下表面202发生叩击滑蹭，两种运动都会让活塞环受到强的应力。但是，在本发明的活塞环中，由于在早期除去环槽表面的突起而不损伤环槽表面，因此，环槽表面对活塞环的防粘膜2的攻击性也在早期降低。并且，防粘膜2使得与环槽表面间的叩击滑蹭所引起的应力被缓和，故聚防粘膜得以长期维持，能够持续维持优异的防止粘着的效果。将活塞环本体1与汽缸5接触的一面设置一层耐磨层3，即耐磨层3与汽缸内壁501接触，一方面可以提高活塞环的耐磨性，另一方面，耐磨层3设置成第一舌部和第二舌部的缘由是，由于第一舌部的外周面以及第二舌部的外周面分别形成为圆筒形状，因此在第一舌部的外周面以及第二舌部的外周面上分别存在有圆筒中央部。因此，通过第一舌部或者第二舌部的圆筒中央部确保了活塞环的密封性，从而抑制了燃烧废气从燃烧室侧向曲柄室侧穿过。其结果为，活塞环的耐久性提高，防止了在恒定的位置接触面压变高，抑制了活塞环、工作缸内周面的不均匀磨损。

在本发明的实施例中，所述活塞环本体为蠕墨铸铁制成，所述蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.55%，硅为2.2%，钼为0.15%，锰为0.27%，铌为0.24%，铬为0.15%，锡为0.025%，锑为0.023%，钒为0.14%，钛为0.18%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质，所述蠕墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

步骤1、原料准备及铁液熔炼，铁液熔炼时，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1400℃左右，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1440℃，然后向熔池中，连续加入铬铁和锰铁，使熔池中的铬含量和锰含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1470℃，保持10min；

步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、金属锡、钒铁和钛铁，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分；

步骤4、将占铁液总重量0.55％的CaC₂粉体装于空心T形耐火材料管内，将T形管插入铁液包内，使其按65rad/min速度搅拌，搅拌时间5min；

步骤5、将浇注处理包在400℃进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖剂和金属锑置于包底；

步骤6、将步骤4得到铁液进行合金成分检验，检验合格后，用冲入法将铁液倒入浇注处理包中，出炉温度控制在1470℃，当出铁液到包内约3/4时，停止出铁，然后加入占铁液重量0.9％的稀土镁钙蠕化剂和0.45％的75硅铁孕育剂，出铁槽冲入法孕育；孕育处理完成后，将剩余的1/4的铁液倒入钢包内，并搅拌5min；

步骤7、步骤6完成后，采用占铁水重量0.25％的珍珠岩除渣剂进行扒渣2次，用0.3％珍珠岩保温覆盖剂在铁水表面形成40mm厚的保温覆盖层；

步骤8、蠕化处理后，在17min内将铁水浇注完毕，得到活塞环铸件。

将得到的活塞环铸件进行热处理，其工艺为：将活塞环铸件置于热处理炉中并加热到880℃，保温2h后油淬，油淬后再将活塞环铸件加热至550℃回火2.5h，回火完成后空冷至室温，最后将热处理后的活塞环铸件机械加工至设计尺寸，检验合格后包装入库。

实施例二

该实施例与实施例一相同，其不同之处在于，所述蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.4%，硅为2.1%，钼为0.3%，锰为0.3%，铌为0.2%，铬为0.2%，锡为0.01%，锑为0.01%，钒为0.1%，钛为0.25%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质，所述蠕墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

步骤1、原料准备及铁液熔炼，铁液熔炼时，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1400℃左右，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1440℃，然后向熔池中，连续加入铬铁和锰铁，使熔池中的铬含量和锰含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1470℃，保持10min；

步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、金属锡、钒铁和钛铁，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分；

步骤4、将占铁液总重量0.55％的CaC₂粉体装于空心T形耐火材料管内，将T形管插入铁液包内，使其按65rad/min速度搅拌，搅拌时间5min；

步骤5、将浇注处理包在400℃进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖剂和金属锑置于包底；

步骤6、将步骤4得到铁液进行合金成分检验，检验合格后，用冲入法将铁液倒入浇注处理包中，出炉温度控制在1470℃，当出铁液到包内约3/4时，停止出铁，然后加入占铁液重量0.9％的稀土镁钙蠕化剂和0.45％的75硅铁孕育剂，出铁槽冲入法孕育；孕育处理完成后，将剩余的1/4的铁液倒入钢包内，并搅拌5min；

步骤7、步骤6完成后，采用占铁水重量0.25％的珍珠岩除渣剂进行扒渣2次，用0.3％珍珠岩保温覆盖剂在铁水表面形成40mm厚的保温覆盖层；

步骤8、蠕化处理后，在17min内将铁水浇注完毕，得到活塞环铸件。

将得到的活塞环铸件进行热处理，其工艺为：将活塞环铸件置于热处理炉中并加热到880℃，保温2h后油淬，油淬后再将活塞环铸件加热至550℃回火2.5h，回火完成后空冷至室温，最后将热处理后的活塞环铸件机械加工至设计尺寸，检验合格后包装入库。

实施例三

该实施例与实施例一和实施例二相同，其不同之处在于，所述蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.8%，硅为2.6%，钼为0.1%，锰为0.2%，铌为0.3%，铬为0.1%，锡为0.03%，锑为028%，钒为0.18%，钛为0.15%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质，所述蠕墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

步骤1、原料准备及铁液熔炼，铁液熔炼时，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1400℃左右，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1440℃，然后向熔池中，连续加入铬铁和锰铁，使熔池中的铬含量和锰含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1470℃，保持10min；

步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、金属锡、钒铁和钛铁，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分；

步骤4、将占铁液总重量0.55％的CaC₂粉体装于空心T形耐火材料管内，将T形管插入铁液包内，使其按65rad/min速度搅拌，搅拌时间5min；

步骤5、将浇注处理包在400℃进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖剂和金属锑置于包底；

步骤6、将步骤4得到铁液进行合金成分检验，检验合格后，用冲入法将铁液倒入浇注处理包中，出炉温度控制在1470℃，当出铁液到包内约3/4时，停止出铁，然后加入占铁液重量0.9％的稀土镁钙蠕化剂和0.45％的75硅铁孕育剂，出铁槽冲入法孕育；孕育处理完成后，将剩余的1/4的铁液倒入钢包内，并搅拌5min；

步骤7、步骤6完成后，采用占铁水重量0.25％的珍珠岩除渣剂进行扒渣2次，用0.3％珍珠岩保温覆盖剂在铁水表面形成40mm厚的保温覆盖层；

步骤8、蠕化处理后，在17min内将铁水浇注完毕，得到活塞环铸件。

将得到的活塞环铸件进行热处理，其工艺为：将活塞环铸件置于热处理炉中并加热到880℃，保温2h后油淬，油淬后再将活塞环铸件加热至550℃回火2.5h，回火完成后空冷至室温，最后将热处理后的活塞环铸件机械加工至设计尺寸，检验合格后包装入库。

实施例四

该实施例与实施例一、实施例二和实施例三相同，其不同之处在于，所述蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.72%，硅为2.5%，钼为0.23%，锰为0.24%，铌为0.25%，铬为0.17%，锡为0.02%，锑为0.023%，钒为0.14%，钛为0.21%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质，所述蠕墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

步骤1、原料准备及铁液熔炼，铁液熔炼时，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1400℃左右，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1440℃，然后向熔池中，连续加入铬铁和锰铁，使熔池中的铬含量和锰含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1470℃，保持10min；

步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、金属锡、钒铁和钛铁，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分；

步骤4、将占铁液总重量0.55％的CaC₂粉体装于空心T形耐火材料管内，将T形管插入铁液包内，使其按65rad/min速度搅拌，搅拌时间5min；

步骤5、将浇注处理包在400℃进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖剂和金属锑置于包底；

步骤6、将步骤4得到铁液进行合金成分检验，检验合格后，用冲入法将铁液倒入浇注处理包中，出炉温度控制在1470℃，当出铁液到包内约3/4时，停止出铁，然后加入占铁液重量0.9％的稀土镁钙蠕化剂和0.45％的75硅铁孕育剂，出铁槽冲入法孕育；孕育处理完成后，将剩余的1/4的铁液倒入钢包内，并搅拌5min；

步骤7、步骤6完成后，采用占铁水重量0.25％的珍珠岩除渣剂进行扒渣2次，用0.3％珍珠岩保温覆盖剂在铁水表面形成40mm厚的保温覆盖层；

步骤8、蠕化处理后，在17min内将铁水浇注完毕，得到活塞环铸件。

将得到的活塞环铸件进行热处理，其工艺为：将活塞环铸件置于热处理炉中并加热到880℃，保温2h后油淬，油淬后再将活塞环铸件加热至550℃回火2.5h，回火完成后空冷至室温，最后将热处理后的活塞环铸件机械加工至设计尺寸，检验合格后包装入库。

通过上述制备工艺制得的蠕墨铸铁活塞环在未镀膜之间，即还未镀上第一皮膜、第二皮膜和碳化铬膜时，将各实施例中各取等尺寸形状的试样，然后通过万能材料试验机测试其力学性能，再用XJP-6A型金相显微镜观察石墨形态，得到下表：

由上表可知，本发明的蠕墨铸铁活塞环的抗拉强度达到430MPa，屈服强度达到363MPa，硬度（HBS）达到275，蠕化率达到86.7%，具有蠕化率高，强度高、硬度好等综合性能，可满足燃油机对关键零部件的材料要求，同时，制备工艺操作简单，蠕化率高，适于工业化大规模生产。

蠕墨铸铁活塞环镀膜后，利用与发动机相关的单体粘着试验机对各实施例的活塞环进行试验，试验条件为接触压力5.0MPa、旋转速度3.0mm/s、控制温度250℃、试验时间3h，得到下表数据：

由上表可以看出，本发明的蠕墨铸铁活塞环耐磨性能好，对槽的磨损率也比较小，而且无粘着现象发生，同时，各实施例之间相对比，在镀膜厚度相同的情况下，蠕墨铸铁活塞环本体综合性能越好，皮膜的磨损率就越低，但对槽的磨损率就越高，原因可能是由于活塞环受力情况的不同，即综合性能好的活塞环本体，对各个方向上的力的缓冲和释放都相对平缓，则相应的皮膜在接触滑动时，受力情况更加良好，因此损失率较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种内燃机用蠕墨铸铁活塞环，包括活塞环本体（1），其特征在于，所述活塞环本体（1）的上表面、下表面和朝活塞环槽的一面覆盖有一层防粘膜（2），活塞环本体（1）与汽缸接触的一面设有一层耐磨层（3），所述防粘膜（2）包括第一皮膜和第二皮膜，所述第一皮膜覆盖在所述第二皮膜上，所述第二皮膜覆盖在活塞环本体（1）上，所述耐磨层（3）沿着活塞环本体（1）与汽缸接触的一面延伸形成第一舌部和第二舌部，所述第一舌部的外周面形成鼓出的圆筒形状，并在所述活塞环本体（1）与汽缸（5）接触的一面形成开口部，所述第二舌部的外周面形成鼓出的圆筒形状，并在所述活塞环本体（1）与汽缸（5）接触的一面形成开口部，即在耐磨层（3）中部形成一间隙（301）。

2.如权利要求1所述的内燃机用蠕墨铸铁活塞环，其特征在于，所述第二皮膜为磷酸锰皮膜，厚度为5-10μm，所述第一皮膜为聚四氟乙烯皮膜，厚度为15-30μm，所述耐磨层（3）碳化钨涂层，平均厚度为50-200μm，所述第二皮膜形成方法为，对活塞环本体（1）的上下侧面以及朝活塞环槽的一面进行研磨加工，使该上下侧面成为平台结构，然后对该活塞环的外周面进行离子镀敷，形成厚度约20μm的碳化钨皮膜，进行碱法脱脂后，在温度为80℃的磷酸锰水溶液中浸渍6min，从而在活塞环本体（1）的外周面上形成磷酸锰皮膜，所述第一皮膜形成方法为，用印刷法将聚四氟乙烯涂布在所述第二皮膜上，所述碳化钨涂层用热喷涂法喷涂，然后再精加工成上述形状。

3.如权利要求2所述的内燃机用蠕墨铸铁活塞环，其特征在于，所述活塞环本体（1）为蠕墨铸铁制成，所述蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.4-3.8%，硅为2.1-2.6%，钼为0.1-0.3%，锰为0.2-0.3%，铌为0.2-0.3%，铬为0.1-0.2%，锡为0.01-0.03%，锑为0.01-028%，钒为0.1-0.18%，钛为0.15-0.25%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质。

4.如权利要求3所述的内燃机用蠕墨铸铁活塞环，其特征在于，所述蠕墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3.55%，硅为2.2%，钼为0.15%，锰为0.27%，铌为0.24%，铬为0.15%，锡为0.025%，锑为0.023%，钒为0.14%，钛为0.18%，磷和硫的总含量不超过0.06%，余量为铁及其不可避免的杂质。

5.如权利要求4所述的内燃机用蠕墨铸铁活塞环，其特征在于，所述蠕墨铸铁的制备方法包括以下步骤：

步骤1、原料准备及铁液熔炼，铁液熔炼时，将原料铁放入转炉中加热熔化，待原料铁全部熔化后，调节熔池温度，使熔池温度控制在1400℃左右，然后向熔池中加入脱碳剂，脱硫剂，脱氧剂，对熔池里的铁水进行脱碳、脱硫、脱氧；

步骤2、脱碳、脱硫、脱氧工序完成后，升温熔池温度，使之达到1440℃，然后向熔池中，连续加入铬铁和锰铁，使熔池中的铬含量和锰含量达到预定要求，调节温度，使温度控制在1470℃，保持10min；

步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进行二次脱氧，之后加入钼铁、铌铁、金属锡、钒铁和钛铁，使钢中的合金成分达到预定要求，然后微调钢液中的化学成分；

步骤4、将占铁液总重量0.55％的CaC₂粉体装于空心T形耐火材料管内，将T形管插入铁液包内，使其按65rad/min速度搅拌，搅拌时间5min；

步骤5、将浇注处理包在400℃进行烘烤，然后将蠕化剂、孕育剂和覆盖剂和金属锑置于包底；

步骤6、将步骤4得到铁液进行合金成分检验，检验合格后，用冲入法将铁液倒入浇注处理包中，出炉温度控制在1470℃，当出铁液到包内约3/4时，停止出铁，然后加入占铁液重量0.9％的稀土镁钙蠕化剂和0.45％的75硅铁孕育剂，出铁槽冲入法孕育；孕育处理完成后，将剩余的1/4的铁液倒入钢包内，并搅拌5min；

步骤7、步骤6完成后，采用占铁水重量0.25％的珍珠岩除渣剂进行扒渣2次，用0.3％珍珠岩保温覆盖剂在铁水表面形成40mm厚的保温覆盖层。

6.步骤8、蠕化处理后，在17min内将铁水浇注完毕，得到活塞环铸件；

如权利要求4所述的内燃机用蠕墨铸铁活塞环，其特征在于，将得到的活塞环铸件进行热处理，其工艺为：将活塞环铸件置于热处理炉中并加热到880℃，保温2h后油淬，油淬后再将活塞环铸件加热至550℃回火2.5h，回火完成后空冷至室温，最后将热处理后的活塞环铸件机械加工至设计尺寸，检验合格后包装入库。