内燃机用蠕墨铸铁活塞环的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 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】
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 进一步，所述第二皮膜为磷酸锰皮膜，厚度为5-10 μ m，所述第一皮膜为聚四氟乙 烯皮膜，厚度为15-30 μ m，所述耐磨层碳化钨涂层，平均厚度为50-200 μ m，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20 μm的碳化钨皮 膜，进行碱法脱脂后，在温度为80°C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。
[0007] 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 硫的总含量不超过〇. 06%，余量为铁及其不可避免的杂质。
[0008] 进一步，所述懦墨铸铁按重量百分比计由如下成分组成：碳为3. 55%，娃为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。
[0009] 进一步，所述懦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°C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1440Γ，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°C，保持 IOmin ; 步骤3、步骤2完成后，加入脱氧剂进彳丁二次脱氧，之后加入钥铁、银铁、金属锡、f凡铁和 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40(TC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°C，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40_厚的保温覆盖层； 步骤8、蠕化处理后，在17 min内将铁水浇注完毕，得到活塞环铸件。
[0010] 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°C，保温2h后油淬，油淬后再将活塞环铸件加热至550°C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。
[0011] 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