CN1084623A - 密封件 - Google Patents

Abstract

两互相夹紧的构件(2、3)用密封件(1)密封，密封 件装在这两个构件基本上是平的相接面(5、6)之间。 密封件被设计成它和某一个相接面之间的摩阻比此 密封件和另一个相接面之间的摩阻要大得多。这是 通过在密封件的一侧设增加摩阻的镀层来达到的，镀 层可由金属陶瓷材料制成，其中将很硬的陶瓷粒子例 如碳化铬加入比较软的金属基材中。增加摩阻的镀 层保证密封件稳固地锁定于构件之一上。

Description

本发明涉及一种密封件，用于在两个互相固定在一起的钢铁材料制的构件之间的密封，每个构件有一个基本上平的相接面，这两个相接面在密封件的两侧彼此相对，密封件用金属材料制成，最好用软钢。

DE-OS3804436论及一种装在发动机气缸体和相关的气缸头之间的密封件。由软质材料制成的密封件，在其面朝燃烧室的一侧用一个“U”形截面的金属包边。软质材料浸渍一种硅基的弹性体，以保证在新发动机首次运行时的密封。边框在结构上略微减少了对均匀分布的液滴状软硅弹性体的粘结量。弹性体使密封件与气缸头和气缸体的摩阻略有增加，所以与互相邻接的仅仅是纯净的密封面相比，这种密封件更便于控制。

密封装置广泛应用于机器构件、发动机构件或是导管段的装配中，在这些地方密封件装在夹紧在一起的密封面之间或构件相接面之间。在许多使用场合非常重要的是，在长时期以后，即使不作任何检查，也仍能完全满足预定的密封要求。但实际上通常认为，只是在固定在一起的构件分解和重新装配时，例如在检查构件的状况时，密封件才需要彻底检修和更换。

外界影响可能引起固定在一起的构件彼此轻微错动，尤其是，若这两个构件形状不同、尺寸不同或构件用不同材料制成的情况下更是如此。这是因为构件特性不同，使它们对外界影响的反应不一致。当构件受到不同的热载荷时，这种情况表现得特别明显。在这种情况下，若企图阻止因温度引起构件尺寸的改变，则相接表面之间会产生很大的力。因此实际上将允许构件相接面在相接表面的平面内产生微量的相对滑动。

本发明基于下列观察结果：夹紧在大型二冲程内燃机的气缸盖和气缸壁构件之间的密封环，经长时间工作后，有时会滑出接合面，或沿径向向外，或朝燃烧室向内。密封件的这种运动是非常不希望产生的，因为这将迫使人们仅仅为了更换密封件而过早地分解机器。当密封件装在不能检查的地方时，会进一步发生严重的泄漏，以及机器构件有可能破坏，使泄漏物污染环境。

本发明的目的是通过设计一种密封装置，它的密封件没有滑出构件之间接合面的倾向，以克服上述缺点。

按本发明达到这一目的的密封件，其特征是，在面朝相接面之一的密封件侧面上，设增加摩擦阻力的镀层，组成镀层的粒子比制成构件的钢铁材料要硬得多。换一种方式，也可以将镀层制在一个构件的相接面上。

密封件与其中一个相接面之间和与另一个相接面之间分别有不同的摩阻，这样可使密封件稳固地锁定在摩阻最大的那个相接面上，因为密封件将首先相对于摩阻小得多的另一个相接面滑动。因此，密封件只是跟随其中一个构件运动，而在密封件和另一个构件的相接面之间可能产生小量的移动。当作用在构件上的外力引起其中一个构件的相接面相对于另一个构件的相接面作往复运动时，密封件相对于其中一个构件的稳固锁定，可使密封件避免产生永久变形。这种永久变形是由于在向前移动时密封件粘附在其中一个构件上，而接着往回移动时又粘附在另一个构件上引起的。

在密封件朝某一个相接面的那一侧设增加摩阻的镀层，从而造成有不同的摩阻。从制造的观点来看，最简单的办法是将镀层制在密封件上，这要比在大得多的构件上进行处理方便得多。当普通的密封件和其相关构件之间的摩擦系数一般为0.2的情况下，使摩阻增加的镀层比使摩阻减小的镀层常造成更大的摩阻差。

镀层中所含的粒子比制成构件的钢铁材料硬得多。作用在密封件上的横向夹紧力使镀层的硬质粒子如同微型齿连接那样嵌入相关的相接面中，从而保证将密封件有效地锁定于相关的相接面上。由于这些粒子比构件的材料和密封件的基材硬得多，所以，即使经过长期使用，它们也不会被压平或磨圆。

镀层中被放入金属基体中的碳化物、氮化硼或氧化铝的含量，最好至少占重量的20%，当它们贴靠在钢铁材料（如钢或铸铁）的相接面上时，可使摩阻适当增加。如果硬质的碳化物、氮化硼或氧化铝镀层的含量远低于重量的20%，则在长期使用后，有使摩阻增加的效果逐渐失去的危险，因为有一些硬质粒子将沉陷到密封件基材中去。

如果借助于等离子喷镀工艺来设置镀层，则镀层的特性特别好。在填料的成分适当的情况下，将镀层的基材加热到熔化状态，而硬质粒子则不熔于等离子电弧中。这就有可能喷镀成一个含有较大硬质粒子的极薄的镀层，从而使镀层很粗糙。

按本发明的密封件，特别适用于在大型二冲程内燃机中作为密封环，装在气缸朝下的相接面与在其之下的气缸壁构件朝上的相接面之间。每当发动机起动加热和停车冷却时，都会使气缸盖相对于气缸壁构件作轻微的径向滑动。尤其是因为所涉及的是大型二冲程内燃机，其活塞直径达90厘米，由于要夹紧气缸盖与气缸壁构件而使密封环受到巨大的压力载荷。发动机工作时产生的巨大轴向脉动载荷，很容易使密封环产生永久变形，因为当气缸盖和气缸壁构件相对运动时，密封环将沿径向变形。

下面借助于非常简略的附图详细说明本发明，其中：

图1  装在气缸盖和气缸套之间的密封装置横截面图，密封环装在上述两个构件之间;

图2  图1中密封环平面图;以及

图3  普通的密封件和按本发明的密封件摩阻测量曲线。

图1表示形式上为密封环1的密封件，对本发明不重要的细节图中没有表示。密封件用在两个互相夹紧的构件之间，亦即在大型的二冲程柴油机的气缸盖2和气缸盖3之间进行密封。气缸盖2和气缸套3与图中未表示的活塞一起构成燃烧室4。密封件上面贴靠在气缸盖2底侧一个环形的面朝下的表面5上，密封环的下面与气缸套上端面抬高了的部分中面朝上的环形面6相贴靠。

气缸盖2按常规用固定螺栓（图中未表示）紧固在气缸套3上，夹紧力大于在发动机的一个循环中作用在气缸盖2上向上的脉动力中之最大值。由于此夹紧力从气缸盖2经密封环1传往气缸套3，所以此环在沿气缸轴向巨大的力作用下处于受力状态。

密封环1比较薄，它有三个凸起7，凸起的外缘8靠在气缸套3的垂直面9上，以保证当气缸盖2装在气缸套上时密封环的正确定位。

在密封环1的上面或下面设增加摩阻的镀层，它使密封环牢固地锁定在气缸盖2或气缸套3上。当然也可以将镀层设在相接面5或6之一上，但最好将镀层设在密封环上，这比在体积和重量大得多的构件2或3上进行处理要方便得多。

通过等离子喷镀金属陶瓷材料，可获得非常好的试验结果，其中尺寸为30至40微米的陶瓷粒子被放入一种较软的基体中，基体的硬度为200至500HV。碳化铬、氮化硼和氧化钨或氧化铝均为适用的陶瓷粒子材料，它们的硬度大于1000HV。不过，推荐使用碳化铬和氮化硼，这是因为它们具有固有的抗燃烧产物化学腐蚀的能力。

现在介绍一个实例，在此例中用一个镀有金属陶瓷镀层的金属块进行摩阻实验。为了进行比较，还对没有镀层的金属块做了相应的实验。

借助于等离子喷镀，在钢块上设有增加摩阻的金属陶瓷材料镀层，此种材料为瑞典的Daros活塞环AB股份有限公司出品，商品名称为PM20，可购买粉状的，以便用于等离子喷镀。粉末的粒度约为140目±30微米，碳化物粒子的熔点约为1890℃。

用等离子喷镀器在金属块上重叠地镀两层，每层厚为5/100毫米，最终所得的镀层厚度在60至140微米范围内。镀层制在金属块相对的两面，然后将此金属块装在两侧的钢块之间的中央。两侧钢块以力N压中央金属块，逐渐增加的力T沿平行于中央金属块和侧面金属块相接面的方向作用在中央金属块上。在中央块刚开始相对于侧面块移动前，记录力T的大小。此实验在不同的夹紧力N下重复进行。实验结果表示在图3中，图中横坐表为力N，纵坐标为力T/2，因为此力T平均分配在面朝两个侧面块的两个相接面上。

图3中测得的平均值用实线表示，线的斜度表示相接面的摩擦系数μ。曲线A反映中央块刚移动前力T/2的平均值，因此它代表静摩擦系数μ_S。

实验结果显示，钢表面与镀层的摩擦系述为μ_S＝0.35。

为便于比较，还对无镀层的中央块做了相应的实验。实验的测量结果表示在图3下部曲线上，曲线B代表静摩擦系数μ_S的平均值，经测量为μ_S＝0.15。

由以上所述立即可以看出，增加摩阻的镀层可使摩擦系数大约增加2.3倍。

对镍块作了相应的实验。全部实验结果表示在表1中。

表1

静摩擦系数  中央块

侧面块  基材钢  镍  PM20

基材钢  0.15  0.25  0.34

镍  0.29

PM20  0.35  0.25

由表可见，金属陶瓷镀层在钢件上滑动时具有很高的摩擦系数。因此，这类镀层特别适用于按本发明制在密封件的一侧，作为增加摩阻的镀层。

此外，还可以看出，两个相接的镍表面，其摩擦系数约为μ_S＝0.29，这大约为两个相接的钢表面摩擦系数的两倍大。因此，按本发明也可以在密封件的一侧和与之相关的那个接面上制镍镀层，而其余的两个接面上则不设镀层。

密封件也可以用除软钢以外的其他材料制成，例如铜，在它的一侧设有增加摩阻的镀层。

Claims (5)

1、一种在两个由钢铁材料制成互相固定在一起的构件(2、3)之间起密封作用的密封件(1)，每个构件有一个基本上为平的相接面(5、6)，这两个相接面在金属材料最好是软钢制的密封件(1)两侧彼此对置，其特征为：密封件(1)面朝相接面(5、6)中之一的那一侧设有增加摩阻的镀层，镀层中含有比制造构件(2、3)的钢铁材料硬得多的粒子。

2、按照权利要求1所述的密封件，其特征为：镀层中加入金属基体中的碳化物、氮化硼或氧化铝至少占重量的20%。

3、按照权利要求1或2所述的密封件，其特征为：通过等离子喷镀在密封环（1）的一侧设镀层。

4、按照前述诸权利要求中任一项所述的密封件，其特征为：密封件是一个密封环（1），它装在大型二冲程内燃机气缸盖（2）朝下的相接面和在其下面的气缸壁构件（3）朝上的相接面之间。

5、一个构件被牢固地固定在另一个构件上，它们各有一个在密封件两侧彼此对置并基本上是平的相接面，其特征为：在相接面之一个上设有与前述诸权利要求中任一项所述同样类型的增加摩阻的镀层。

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