CN105889502B

CN105889502B - 一种活塞环

Info

Publication number: CN105889502B
Application number: CN201610274769.1A
Authority: CN
Inventors: 唐思钊
Original assignee: Chongqing Chi Chi Machinery Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Zhujiang Gas Industry Co., Ltd.
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2036-04-27
Also published as: CN105889502A

Abstract

一种活塞环，可广泛用于各种动力机械上，其包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口；上环体和下环体均使用铁基合金作为制造材料，其中含有的钛、铜以及稀土元素对铁基合金进行了改性处理。同时，本申请还提供了活塞环的结构改进，通过所设置的凸台、凹槽、凸杆、小孔、大凹槽以及多层结构，使得到的活塞环具有良好的机械性能、较长的使用寿命。

Description

一种活塞环

技术领域

本申请涉及一种活塞环，具体涉及一种用在各种动力机械上，例如蒸汽机、柴油机、汽油机、压缩机、液压机等机械上的活塞环，该活塞环可广泛用于汽车、火车、轮船、船艇、游艇、各种大型农用机械等多领域。

背景技术

活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，活塞环分为两种：压缩环和机油环。压缩环可用来密封燃烧室内的可燃混合气体；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。

随着发动机转速的不断提高，传统的活塞环已经不能满足发动机的要求。发动机在工作过程中，其做功的功率相比较原有的发动机已经有较大幅度的提高，导致活塞环在槽中振幅加大，传统的活塞环强度已经不能满足性能需求，工作时常常会发生环口折断现象。

现有技术通常使用铸铁作为活塞环的制造材料，例如现有技术一中所使用的铸铁，其由于其较高的硅含量以及磷、硫含量，已经不能满足发动机的使用要求。本申请的目的之一在于调节活塞环的成份，以使其机械性能得到提高。

另外，传统结构的活塞顶环是通过径向切割被切开的。当活塞带着该顶环安装到气缸套内时，该环的两端有一定的距离，它随着该环的磨损而增加，因为该环切口的中心线随着该环的磨薄同时径向向外移动，因此，该环径便增大，环两端之间的间隙也增加。燃烧室内的燃气在环间隙处经气缸套和活塞之间的间隙可向下流动，且因该环隙随活塞顶环磨损而增加，该燃气直流也会增加，并使气缸套和活塞在该环隙附近区域热负荷增大，当发动机运转时，该活塞顶环通常会沿环槽圆周方向位移，但经验表明该顶环的移动可以停止，这会对对着该环隙的下面活塞环和气缸套造成大的热负荷。在顶环静止的情况下，增大的局部热负荷可促使裂纹产生和其它不希望的材料腐蚀。

现有技术二提供了一种活塞环的改进方案，该技术方案提供一种大型二冲程发动机活塞的活塞顶环，在环上设有切口，以允许在装于活塞侧壁上的环槽内时该环的膨胀，该环的两端在切口处互相交搭，跟气缸壁接触的该环的外侧至少具有二条自该环上侧延伸到下侧的槽，该槽宽的总和达到环圆周的0.1-1％。然而，上述方案还存在如下问题：活塞顶环中，燃烧气体经由设于外周面的呈俯视U字形状或俯视时字形状的多个槽而发生窜气。因此，在槽内产生裂纹而活塞顶环发生折损，或随着活塞顶环磨损而槽的深度减小，使燃烧气体窜气的效果可能会消失。另外，活塞顶环中，设于外周面的槽的角可能会刮伤汽缸套的内壁面，或者在外周面实施耐磨损涂层时，该耐磨损涂层可能会从槽的角剥离。

针对上述问题，现有技术三提供了一种活塞环的改进方案，其技术方案为：第一形态活塞环在一端部具备凸部，在另一端部具备凹部，并通过所述凸部和凹部来形成阶梯开口，其中，在所述凸部与所述凹部之间设有将作用于一侧面的气体向另一侧面引导的气体通路。根据所述第一形态的活塞环，作用于一侧面的气体通过气体通路而被导向另一侧面。然而，研究表明，上述方案仍然存在活塞环仍然在密封性和耐磨性方面存在缺陷。

现有技术一：美国公开专利US5972128A。

现有技术二：国际公开番号WO94/12815A。

现有技术三：国际公开番号WO2012/117987A1。

本申请要解决的问题之二在于提供一种活塞环结构上的的改进方案，一方面针对活塞环经常被应用在高温环境中由于承受高温影响活塞环的使用寿命的问题提出改进，另一方面针对高温环境下需要对高温中的活塞环有效导热进行改进，同时，针对活塞环使用过程的密闭性也一并提供了改进。

发明内容

针对上述所提到的现有技术问题之一，本申请的目的之一在于提供一种具备高性能的活塞环材料。

一种活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口。活塞环上环体和下环体均为铁基合金，铁基合金的重量百分比份数为：C 3.0-3.2％，Si 2.0-2.2％，Mn 0.9-1.1％，Ti 0.06-0.20％，Cu 1.2-1.6％，Ni 0.6-1.2％，S 0.02-0.05％，P0.03-0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

优选方案为：一种活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口。活塞环上环体和下环体均为铁基合金，铁基合金的重量百分比份数为：C 3.0-3.1％，Si 2.0-2.1％，Mn 1.0-1.1％，Ti 0.06-0.15％，Cu 1.5-1.6％，Ni 0.7-1.1％，S 0.02-0.03％，P 0.03-0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该技术方案相比较现有技术而言，在于调整其中合金化元素，即元素钛在材料中发挥细化晶粒组织的作用，同时作为弥散元素强化材料的耐磨性。元素铜一方面也可以细化组织，另一方面具有自润滑作用，即提高了活塞环的弹性，同时又增加了抗拉强度。

针对现有技术所存在的技术问题之一，本申请还提供一种改进的技术方案。

一种活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口；其特征在于所述活塞环上环体和下环体均为铁基合金，铁基合金的重量百分比份数为：C 3.0-3.2％，Si 2.0-2.2％，Mn 0.9-1.1％，Ti 0.06-0.20％，Cu 1.2-1.6％，Ni 0.6-1.2％，RE0.4-0.8%，S 0.02-0.04％，P 0.03-0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

优选方案为：一种活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口；其特征在于所述活塞环上环体和下环体均为铁基合金，铁基合金的重量百分比份数为：C 3.1％，Si 2.0％，Mn 1.1％，Ti 0.19％，Cu 1.6％，Ni 1.1％，RE 0.5%，S 0.03％，P0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

优选方案为：RE是由元素镧(La)和元素铈(Ce)组成的混合稀土，两种元素的用量为1：1。

作为优选方案，活塞环中所使用的稀土元素可以进一步细化晶粒，并降低材料中的磷和硫的含量，提高活塞环的韧性，减少断裂的风险。

上述两种配方形成的活塞环上环体和下环体，保证了其足够的刚度和强度，有效提高发动机的运行寿命，减少整体结构损坏的机率。

本申请的目的之二在于提供活塞环的结构改进，该改进方案在系列申请中也有详细的描述。同系列申请相同，结构的改进目的在于提高其耐磨性和导热性。

一种活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口，活塞环上环体和下环体均为铁基合金，铁基合金的重量份数为：C 3.0-3.2％，Si 2.0-2.2％，Mn0.9-1.1％，Ti 0.06-0.20％，Cu 1.2-1.6％，Ni 0.6-1.2％，S 0.02-0.05％，P 0.03-0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。在上环体两端底面设有凸台，所述下环体两端顶面设有凹槽，所述凸台和凹槽配合连接，同时所述上环体下表面均匀设有若干凸杆，所述下环体上表面均匀设有若干小孔，所述凸杆可以插入小孔中形成连接，所述上环体和下环体内侧边缘还设有相互对称的半圆形凹槽，所述半圆形凹槽组合起来形成大凹槽，所述大凹槽内设有密封垫圈。

其中对于铁基合金的优选方案：C 3.0-3.1％，Si 2.0-2.1％，Mn 1.0-1.1％，Ti0.06-0.15％，Cu 1.5-1.6％，Ni 0.7-1.1％，S 0.02-0.03％，P 0.03-0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

一种活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口；其特征在于所述活塞环上环体和下环体均为铁基合金，铁基合金的重量百分比份数为：C 3.0-3.2％，Si 2.0-2.2％，Mn 0.9-1.1％，Ti 0.06-0.20％，Cu 1.2-1.6％，Ni 0.6-1.2％，RE0.4-0.8%，S 0.02-0.04％，P 0.03-0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。在上环体两端底面设有凸台，所述下环体两端顶面设有凹槽，所述凸台和凹槽配合连接，同时所述上环体下表面均匀设有若干凸杆，所述下环体上表面均匀设有若干小孔，所述凸杆可以插入小孔中形成连接，所述上环体和下环体内侧边缘还设有相互对称的半圆形凹槽，所述半圆形凹槽组合起来形成大凹槽，所述大凹槽内设有密封垫圈。

其中对于含RE的铁基合金的优选方案：C 3.1％，Si 2.0％，Mn 1.1％，Ti 0.19％，Cu 1.6％，Ni 1.1％，RE 0.5%，S 0.03％，P 0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

对于活塞环上环体和下环体的制造工序，步骤为：配料、熔炼、离心浇注、喷丸、切割、粗镗、精加工、珩磨、精磨、倒角、检验。

进一步地，在上环体和下环体表面设有多层结构。所述多层结构由基底层、周期性结构层和耐磨层组成。所述基底层为铬铁合金层。

所述周期性结构层的每一层均由元素M1和元素M2组成，其中M1选自铝、镁、锡，M2选自钛、钒、铌、钨。耐磨层的周期性结构层由M1和M2构成的合金层交替层叠构成，其中紧靠基底层的M1M2合金层中M2的质量百分含量在80%以上，其中靠近耐磨层的M1M2层中M1的质量百分含量在80%以上，在紧靠基底层的M1M2层和靠近耐磨层的M1M2层之间的其余周期性结构层，由里面向外面（其中基底层所在位置定义为里面，耐磨层所在位置定义为外面）形成的M1M2层中每一层中M2的质量百分含量逐渐减少，M1的质量百分含量逐渐增加。多层由M1M2合金组成合金层构成周期性结构层。

耐磨层由选自元素M3的氮化物（M3N）或碳化物（M3C）或碳氮化物（M3NC或M3CN）组成，其中M3选自铬或钒或铬钒合金。

进一步的，在所述多层结构的外部还涂有导热硅胶层。

进一步的，所述密封垫圈为耐高温橡胶垫圈。

进一步的，所述小孔和凸杆均设有6-10个，优选8-10个，最优选10个。小孔和凸杆以上环体为圆心分别在所述下环体上表面和上环体下表面上均匀分布。

进一步的，所述凸台和凸杆的高度一致，均为0.2-0.3mm，所述小孔和凹槽的深度相等，均为0.3-0.35mm。

进一步的，所述上环体和下环体接触位置，还可以设有防水垫圈。

下面对本申请技术方案进一步说明以更明确技术方案的内容、制备方法及原理。

在活塞环上设置的基底层为铬铁合金层，其设置的目的在于基底层的膨胀率要接近于活塞环的铁基合金，减少热应力的影响，减少形变，另外保证基底层与周期性结构层之间较好的粘接性，减少剥离的风险，基底层的厚度一般设置在0.1-0.5μm之间，优选0.2-0.3μm之间，过薄的基底层不能保证材料间的粘接性，过厚的基底层会导致制造成本的增加，这是生产过程中所不希望。

对于周期性结构层，其厚度优选为50-500nm，更优选100-300nm。其中一个单层，即每一层由M1和M2组成的周期性结构层的厚度优选为5-20nm，更优选为10-15nm。对于周期性结构层中层的数目，优选为5-20层，更优选8-15层。对于每一层由M1和M2组成的周期性结构层中元素M1和M2的含量，相邻两层中M1占M1M2的重量百分含量变化在5-10%之间，实施例中重量百分含量的变化范围为8%和10%。相应地，相邻两层中M2占M1M2的重量百分含量变化也在5-10%之间，相邻两层中M1的变化范围与M2的变化范围是相对应的。这种含量变化的固定值，对于操作性和成本性是有利的，这种周期性的变化，对于层间的粘接性是极为有利的，能够减少了表面层的剥离性，提高了活塞环的耐磨性，对于其使用寿命是极为有益的。实施例中，周期性结构层设置为9层，靠近基底层的第一层中M1的重量百分含量为10%，M2的重量百分含量为90%；紧临第一层的第二层中M1的重量百分含量为20%，第二层中M2的重量百分含量为80%，以此类推，第九层（即靠近耐磨层的周期性结构层的单层）中M1的重量百分含量为90%，第九层中M2的重量百分含量为10%。

对于该周期性结构层，其制备方法有多种，例如本申请中采用激光熔覆方式制备得到，通过送粉装置将预先配制的金属复合粉末送入真空腔室，采用脉冲激光将合金粉末熔覆，从而在基底层上得到周期性结构层。

在活塞环外设置的耐磨层由选自元素M3的氮化物或碳化物或碳氮化物组成，其中M3选自铬、钒中的至少一种，即Cr₂N，VN，V₃N，Cr₃C₂，VC，CrCN，VCN，或者上述任意两种或两种以上的组合。该耐磨层具有良好的耐磨性，通常使用物理气相沉积方法制备得到，例如真空蒸镀、离子溅镀、渗镀的方法进行处理得到。当然具体的实施方式并不限于上述所描述的几种方法。该耐磨层的厚度为10-50nm之间。该耐磨层具有高的强度和硬度，并且具有很小的摩擦系数，从而有效地减少了活塞环的磨损性，提高产品使用寿命。

在多层结构的外部设置导热硅胶层的目的是基于其自身良好的散热性能，从而保证活塞环能长期在高温下的良好运行。

对于密封垫圈来说，设置的目的在于保护产品外部避免意外撞击而造成损坏，同时防止漏气。

针对现有技术中所存在的问题，本申请所解决的基本技术问题在于增加活塞环的使用寿命。

通过对活塞环上环体和下环体材料的优化配比，以保证活塞环的上环体和下环体具有足够的强度、韧性、弹性、抗弯强度等机械性能，从而减少工作过程发生断裂的可能性。

通过对活塞环机械结构的改进，也就是通过在上环体和下环体间设置交叉开口，减少活塞环局部热负载导致产生的裂纹。在上环体和下环体间的接触面设置的凸台、凹槽、小孔、凸杆组成稳固而可拆卸的组合，保证活塞环的拆卸便利性。在上环体和下环体内侧对称设置的半圆形凹槽所组成的大凹槽，并在其中设置密封垫圈进一步保证活塞环的密封性能。在活塞环的上环体和下环体表面设置多层结构的目的在于提高活塞环的耐磨性，提高使用寿命。其中基底层在于保证活塞环多层结构中周期性结构层的良好粘接性，减少剥离的风险。周期性结构层一方面保各层间的粘接性，减小了表面层的剥离风除，对于提高耐磨性和提高使用寿命均是有利的。耐磨层的设置在于碳化物、氮化物或碳氮化物的良好强度和硬度，并基于自身较小的磨擦系数，减少活塞的磨损性，提高使用寿命。

附图说明

图1为本申请活塞环俯视结构示意图。

图2为本申请活塞环下环体的俯视结构示意图。

图3为本申请活塞环上环体的仰视结构示意图。

附图标记列表：1、上环体；2、下环体；3、凸台；4、凹槽；5、小孔；6、凸杆；7、半圆形凹槽。

具体实施方式

表1-2示出实施例1-4的活塞环上下环体的组成成份及性能参数。

表1：

表2：

通过上述测试，得到的活塞环其性能指标优于现有技术，其在使用寿命方面提到了大幅提高。

下面结合附图1-3对活塞环的结构改进进行详细说明。

活塞环，包括上环体1和下环体2，所述上环体1和下环体2均开有交叉开口，所述上环体1两端底面设有凸台3，所述下环体2两端顶面设有凹槽4，所述凸台3和凹槽4配合连接，同时所述上环体1下表面均匀设有若干凸杆6，下环体2上表面均匀设有若干小孔5，所述凸杆6可以插入小孔5中形成连接，所述上环体1和下环体2内侧边缘还设有相互对称的半圆形凹槽7，所述半圆形凹槽7组合起来形成大凹槽，所述大凹槽内设有密封垫圈，密封垫圈优选为耐高温橡胶垫圈。所述上环体1和下环体2表面还设有多层结构。

在所述多层结构的外部还涂有导热硅胶层，实际中优选方案，所述小孔5和凸杆6均设有10个，且以上环体1为圆心分别在所述下环体2上表面和上环体1下表面上均匀分布，所述凸台3和凸杆6的高度一致，均为0.3mm，所述小孔5和凹槽4的深度相等，均为0.35mm，所述上环体1和下环体2接触的位置，还设有防水垫圈，来进一步密封。

下面对活塞环上的多层结构进行详细的说明。

多层结构由基底层、周期性结构层和耐磨层组成。基底层选用铬铁合金层。周期性结构层由5-20层构成，每一层（每一单层）均由元素M1和元素M2组成，其中M1选自铝、镁、锡，M2选自钛、钒、铌、钨。耐磨层的周期性结构层由M1和M2构成的合金层交替层叠构成，其中紧靠基底层的M1M2合金层中M2的含量在80%以上，其中靠近耐磨层的M1M2层中M1的含量在80%以上，在紧靠基底层的M1M2层和靠近耐磨层的M1M2层之间的其余周期性结构层，由里面向外面（其中基底层所在位置定义为里面，耐磨层所在位置定义为外面）形成的M1M2层中每一层中M2的含量逐渐减少，M1的含量逐渐增加。多层由M1M2合金组成合金层构成周期性结构层。以周期性结构层包括9层单层为例，靠近基底层的第一层中M1的重量百分含量为10%，M2的重量百分含量为90%；紧临第一层的第二层中M1的重量百分含量为20%，第二层中M2的重量百分含量为80%，以此类推，第九层（即靠近耐磨层的周期性结构层的单层）中M1的重量百分含量为90%，第九层中M2的重量百分含量为10%。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；显然，根据说明书及实施例所列出的教导，本发明的多种修改和变化都是可能的，并且可以通过并不局限于说明书和实施例所记载所具体描述之外的方式实现。

Claims

1.一种活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口；其特征在于所述活塞环上环体和下环体均为铁基合金，铁基合金的重量百分比份数为：C 3.0-3.2％，Si 2.0-2.2％，Mn 0.9-1.1％，Ti 0.06-0.20％，Cu 1.2-1.6％，Ni 0.6-1.2％，S0.02-0.05％，P 0.03-0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；

所述上环体两端底面设有凸台，所述下环体两端顶面设有凹槽，所述凸台和凹槽配合连接，同时所述上环体下表面均匀设有若干凸杆，所述下环体上表面均匀设有若干小孔，所述凸杆能够插入小孔中形成连接，所述上环体和下环体内侧边缘还设有相互对称的半圆形凹槽，所述半圆形凹槽组合起来形成大凹槽，所述大凹槽内设有密封垫圈；

上环体和下环体表面均设置有多层结构；

所述多层结构由基底层、周期性结构层和耐磨层组成；所述基底层为铬铁合金层；

所述周期性结构层的每一层均由元素M1和元素M2组成，其中M1选自铝、镁、锡，M2选自钛、钒、铌、钨；耐磨层的周期性结构层由M1和M2构成的合金层交替层叠构成，其中紧靠基底层的M1M2合金层中M2的质量百分含量在80%以上，其中靠近耐磨层的M1M2层中M1的质量百分含量在80%以上，在紧靠基底层的M1M2层和靠近耐磨层的M1M2层之间的其余周期性结构层，由里面向外面，形成的M1M2层中每一层中M2的质量百分含量逐渐减少，M1的质量百分含量逐渐增加，其中基底层所在位置定义为里面，耐磨层所在位置定义为外面。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其中耐磨层由选自元素M3的氮化物或碳化物或碳氮化物组成，其中M3选自铬或钒或铬钒合金。

3.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中在所述多层结构的外部还涂有导热硅胶层。

4.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中所述密封垫圈为耐高温橡胶垫圈。

5.根据权利要求1或2所述的活塞环，所述上环体和下环体接触位置，设有防水垫圈。

6.一种活塞环，包括上环体和下环体，所述上环体和下环体均开有交叉开口；其特征在于所述活塞环上环体和下环体均为铁基合金，铁基合金的重量百分比份数为：C 3.0-3.2％，Si 2.0-2.2％，Mn 0.9-1.1％，Ti 0.06-0.20％，Cu 1.2-1.6％，Ni 0.6-1.2％，RE0.4-0.8%，S 0.02-0.04％，P 0.03-0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；

上环体和下环体表面均设置有多层结构；

7.根据权利要求6所述的活塞环，RE为La和Ce组成的混合稀土。

8.根据权利要求7所述的活塞环，其特征在于所述混合稀土中La和Ce的重量配比为1：1。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的活塞环，其中耐磨层由选自元素M3的氮化物或碳化物或碳氮化物组成，其中M3选自铬或钒或铬钒合金。

10.根据权利要求6-8任意一项所述的活塞环，其中在所述多层结构的外部还涂有导热硅胶层。

11.根据权利要求6-8任意一项所述的活塞环，其中所述密封垫圈为耐高温橡胶垫圈。

12.根据权利要求6-8任意一项所述的活塞环，所述上环体和下环体接触位置，设有防水垫圈。