初步對活塞環(huán)生產(chǎn)的認識

活塞環(huán)是一種自由地放置在活塞環(huán)槽中并與活塞一起沿著氣缸的軸線作往復(fù)運動的運動密封件?；钊h(huán)用以阻止氣體泄漏到機體里去，并參與活塞頂部熱量的散發(fā)和刮下氣缸壁上多余的潤滑油。為了完成這些重要的功能，活塞環(huán)應(yīng)該緊密地貼靠在活塞環(huán)槽內(nèi),并且更重要的是活塞環(huán)應(yīng)該用自身的彈力給予氣缸以壓力使自身貼緊在氣缸壁上。如果與兩個表面的接觸能得到保證則滲透到環(huán)槽中的氣體會使壓力增大許多倍，而活塞-活塞環(huán)-氣缸的工作鏈將成為自密封的系統(tǒng)?；钊h(huán)一般分為兩種即壓縮環(huán)和機油環(huán)。壓縮環(huán)可用來密封燃燒室內(nèi)的壓縮空氣；機油環(huán)則用來刮除汽缸上多余的機油。活塞環(huán)的功能與作用主要有以下幾點：⑴密封性具體是指密封燃氣，不讓燃燒室的氣體漏到曲軸箱，把氣體的泄漏量控制在最低限度，提高熱效率。漏氣不僅會使發(fā)動機的動力下降，而且會使機油變質(zhì)，這是氣環(huán)的主要任務(wù)；(2)調(diào)節(jié)機油把氣缸壁上多余的潤滑油刮下，同時又使缸壁上布有薄薄的油膜，保證氣缸和活塞及環(huán)的正常潤滑，這是油環(huán)的主要任務(wù)。在現(xiàn)代高速發(fā)動機上，特別重視活塞環(huán)控制油膜的作用；⑶導(dǎo)熱通過活塞環(huán)將活塞的熱量傳導(dǎo)給缸套，即起冷卻作用。據(jù)可靠資料認為，活塞頂所受的熱量中有70~80%是通過活塞環(huán)傳給缸壁而散掉的；⑷導(dǎo)向支承活塞略小于氣缸內(nèi)徑，如無活塞環(huán)，則活塞在氣缸內(nèi)不穩(wěn)定，就不可能運動自如。同時，活塞環(huán)將活塞保持在氣缸中，防止活塞與氣缸壁直接接觸，保證活塞平順運動，降低摩擦阻力，而且防止活塞敲缸，起到支撐作用。因此，活塞環(huán)在氣缸內(nèi)上下運動，其滑動面全靠環(huán)來承擔(dān)。根據(jù)活塞環(huán)的功能與作用，其材料性能的要求主要有:強度與硬度、耐磨性與儲油性、彈性與熱穩(wěn)定性、耐蝕性和切削性能。其中尤以耐磨性及彈性最重要。為了能夠制造出性能優(yōu)良的活塞環(huán)應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面進行研究。（1） 研發(fā)強度高、硬度高、耐磨性好的基體材料，從材質(zhì)入手，重點研究材料的化學(xué)成分以及金相組織等指標(biāo)；（2） 探索開發(fā)先進的活塞環(huán)成形方法；（3） 采用合適的熱處理和表面強化手段來進一步提高活塞環(huán)的強度、硬度、耐磨性等性能；（4） 選擇恰當(dāng)?shù)臋C械加工工藝，確?；钊h(huán)幾何尺寸的精度和徑向壓力的均勻分布。1?活塞環(huán)的材料由于鑄鐵具有比較高的機械強度、滿意的摩擦學(xué)特性和導(dǎo)熱性已證實鑄鐵適合作為活塞環(huán)材料應(yīng)用于船用柴油機。目前活塞環(huán)材料主要有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鑄鐵、蠕墨鑄鐵而合金鑄鐵和球墨鑄鐵最為常用。鑄鐵材料設(shè)計參數(shù)主要是石墨的形態(tài)學(xué)和基料的成分。a.國內(nèi)活塞環(huán)材料介紹灰鑄鐵目前最常用的活塞環(huán)材料仍以灰鑄鐵為主。為改變其物理化學(xué)和機械性能，常在灰鑄鐵中加入少量的Cu、Cr,Mn等合金元素,硬度為HRB98?107。活塞環(huán)的材料化學(xué)成分:石墨碳3.1%?3.5%、化合碳0.65%?0.90%、Sil.6%?2.1%、Mn0.6%?1.0%、Cr0.2%?0.4%、Cu0.5%?0.7%、P0.3%?0.7%、S<0.1%。活塞環(huán)的金相組織為細片狀或索氏體的珠光體為基體使環(huán)有足夠的機械強度。同時，由于石墨本身為潤滑材料能吸附潤滑油，減少摩擦磨損,因此石墨應(yīng)分布均勻，呈直線狀、螺旋薄片狀或團絮狀以有利于潤滑。(2)球墨鑄鐵鉻鉬球墨鑄鐵化學(xué)成份(%):C3.5?3.9,Si2.6?2.9,Mn0.6?0.8,PW0.1,S<0.03,Cr0.1?0.45,Mo0.1?0.45,Mg殘V0.021,ReV0.032。力學(xué)性能:硬度105?112HRB,抗彎強度940?1600MPa彈性模量150?180GPa。鉬銅球墨鑄鐵化學(xué)成份(%):C3.4?3.9,Si2.5?3.0,Mn0.2?0.5,PW0.1,SW0.03,Mo0.1?0.4,Cu0.1?0.5,Mg殘0.01?0.04,Re0.015~0.05o力學(xué)性能:硬度105?112HRB,抗彎強度21300MPa,彈性模量2155GPa。稀土鎂球墨鑄鐵化學(xué)成份(％):C3.5?3.9,Si2.4?3.2,Mn0.6-0.8,PW0.1,S<0.03,Mg殘0.02,Re0.03力學(xué)性能：硬度104?112HRB,抗彎強度940?1600MPa,彈性模量150?180GPa。低錳稀土鎂球墨鑄鐵化學(xué)成份(%):C3.4?3.9,Si2.5?3.0,Mn<0.5,P<0.1,S<0.03,Mg殘0.01?0.04,Re0.015?0.05力學(xué)性能:硬度104?112HRB,抗彎強度21300MP&彈性模量2150GPa。b.國外活塞環(huán)材料介紹①德國GOETZE公司材料:K9材料牌號:KV1,特殊材料G6，球墨鑄鐵。范圍：缸徑200mm以內(nèi)的高強度活塞環(huán)?；瘜W(xué)成份(%):C3.7?4.2,Si2.4?3.2,MnW0.5,PW0.3,SW0.05,Cr<0.2,Mo0.1?0.45,MgW0.1，其它元素可作為雜質(zhì)保留。金相組織:石墨接近球狀基體組織為調(diào)質(zhì)組織允許單個碳化物存在。力學(xué)性能:硬度104?112HRB,抗彎強度21300MPa彈性模量2150GPa。材料：K22,材料牌號：KV4,特殊材料G6，球墨鑄鐵。范圍:缸徑200mm以內(nèi)的高強度、高硬度活塞環(huán)。化學(xué)成份(％):C3.7?4.2,Si2.4?3.2,MnW0.5,P<0.3,SW0.05,Cr<0.2,Mg<0.1，其它元素可作為雜質(zhì)保留。金相組織：石墨接近球狀，基體組織為調(diào)質(zhì)組織。力學(xué)性能:硬度40?46HRC或390?470HB,抗彎強度21300MPa,彈性模量2150GPa。材料：GOE52,材料牌號:球墨鑄鐵，參見KV1。化學(xué)成份(％):C3.5?4.0,Si2.4?3.2,Mn<0.5,P<0.3,S<0.05,Cr<0.2,Cu<1.0Mg<0.1，其它元素可作為雜質(zhì)保留。金相組織：石墨接近球狀，基體組織為調(diào)質(zhì)組織允許單個碳化物存在。力學(xué)性能:硬度104?112HRB或25?42HBC,抗彎強度>1300MP^彈性模量>150GPa。②日本TP公司(1)材料牌號：P221化學(xué)成份(%):C3.3?4.1,Si2.0?3.2,Mn0.2?0.6,P<0.15,S<0.03金相組織:回火索氏體+球狀石墨。力學(xué)性能:硬度100?110HRB,抗彎強度>550MP^彈性模量>140GPa。(2)材料牌號：P222化學(xué)成份（％）:C3.3?4.1,Si20?3.2,Mn0.2?0.6,P<0.15,S<0.03,Cr0.1?0.4,Mo0.5?1.0,Cu0.5?1.0。金相組織:回火索氏體+球狀石墨。力學(xué)性能：硬度30?40HRC,抗彎強度>800MPa彈性模量>150GPao2?活塞環(huán)鑄造成形活塞環(huán)毛坯鑄造的主要方法包括單體鑄造、筒體鑄造及介于兩者之間的雙片或短筒體鑄造。砂型鑄造:對于缸徑大于0400的活塞環(huán)一般采用車板造型為使?jié)沧r能夠順序凝固避免縮松鑄型自底向上增大壁厚本體冒口作補縮用。由于中心和內(nèi)外壁冷卻條件不一致溫差較大，結(jié)晶凝固速度緩慢,因此各部位金相基體、石墨形態(tài)粗大，材質(zhì)疏松，硬度偏低，彈性差,使用壽命較低,同時金屬材料利用率很低只適用于單件修配生產(chǎn)和技術(shù)指標(biāo)較低的大型低速柴油機。金屬模敷砂工藝加快冷卻速度是細化活塞環(huán)金相組織提高石墨等級，改善磷共晶分布，從而提高使用壽命的有效工藝措施60年代中期在我國大連造船廠采用金屬型敷砂工藝鑄造活塞環(huán)取得了較好成效。主要工藝參數(shù)為:敷砂層6=12?15mm,金屬型壁厚B=（1.5?2）X鑄件厚。試驗結(jié)果表明:在相同化學(xué)成分條件下，利用此工藝生產(chǎn)之活塞環(huán)比普通砂型筒形鑄造的活塞環(huán)金相結(jié)構(gòu)有所改善機械性能較砂型鑄造可提高一個牌號。該廠生產(chǎn)之活塞環(huán)實際使用壽命可達2000?3000h。雙片橢圓鑄造工藝。此工藝是德國格茨公司于1965年開發(fā)出來的，其突出優(yōu)點是內(nèi)外圓和端面的加工余量不大，雙片毛坯產(chǎn)生的心部縮松在切片時被切去，得到?jīng)]有縮松缺陷的單片毛坯。橢圓毛坯直接進行內(nèi)外圓仿形加工，環(huán)的壓力曲線分布合理，熱穩(wěn)定性和使用可靠性高，適用于大批量生產(chǎn)，工藝簡單，生產(chǎn)成本低，是目前最先進的鑄造工藝。四片橢圓短筒體鑄造工藝。格茨公司于1996年開始在雙片鑄造工藝基礎(chǔ)上成功開發(fā)此工藝，它采用三工位自動或半自動造型機造型。與雙片橢圓圓鑄造工藝相比，四片鑄造的生產(chǎn)效率更高，而且可以節(jié)省型砂和減少清理工作量。橢圓短筒體鑄造。這是日本NPR公司開發(fā)的鑄造技術(shù)，每個型砂箱可布置10?30個短筒體環(huán)模，生產(chǎn)效率很高。單體橢圓鑄造。大批量生產(chǎn)的合金鑄鐵活塞環(huán)幾乎是單體橢圓毛坯。單體鑄造的方法適用于缸徑小于160mm、批量較大的活塞環(huán)生產(chǎn)。單體鑄造活塞環(huán)殘余應(yīng)力小使用時彈力消失較少徑向壓力分布易于達到設(shè)計要求。橢圓形毛坯靠模加工，就能獲得漏光度小、熱穩(wěn)定性好、彈力較強、徑向壓力分布合理的活塞環(huán)。3.活塞環(huán)表面強化處理技術(shù)1.電鍍⑴表面電鍍硬Cr表面電鍍Cr是一種傳統(tǒng)的改善活塞環(huán)表面耐磨性的工藝它通過在其外圓表面覆蓋Cr層,改變摩擦面的性質(zhì)達到提高工作性能的目的。實踐證明第1道環(huán)鍍Cr后，其壽命比鑄鐵環(huán)可延長3?5倍,且氣缸磨損量減少1/2,同時延長第2道環(huán)、第3道環(huán)的使用壽命。鍍Cr層結(jié)構(gòu)細而致密，結(jié)晶中雜質(zhì)極少硬度可達700?1000HV,摩擦系數(shù)較小對燃燒產(chǎn)物硫酸等的耐蝕性很高。通常在鍍Cr層上形成網(wǎng)或槽或孔以利于儲油。但鍍Cr層導(dǎo)熱系數(shù)彳低附油性差，熔點低,鍍Cr層極脆，容易脫落，造成氣缸損傷極易發(fā)生粘著磨損工作中發(fā)生拉缸;同時該工藝廢品率高達20%左右，電能利用率只有10%—15%,鍍Cr工藝過程毒性大污染環(huán)境污染嚴(yán)重三廢處理困難。因此在發(fā)達國家，這種工藝已經(jīng)被淘汰，而我國由于經(jīng)濟和技術(shù)的原因，一些廠家仍然采用鍍Cr工藝，隨著政府對保護環(huán)境越來越重視鍍Cr工藝也會逐漸被淘汰。顆粒增強鍍鉻層目前最先進的鍍鉻層為陶瓷顆粒增強鍍鉻層它已經(jīng)生產(chǎn)了近10年。這種顆粒增強技術(shù)是基于鍍鉻過程中間因析氫形成微裂紋的特征這些微小裂紋是增強顆粒的沉積地。在鍍層沉積過程中，陶瓷顆粒懸浮在電鍍液中。在第一層鉻沉積后系統(tǒng)的極性轉(zhuǎn)換，通過蝕刻使微裂紋展開。在這期間內(nèi)，顆粒在網(wǎng)狀裂紋內(nèi)沉積。當(dāng)極性再次轉(zhuǎn)換后析出的氫會去除鉻層表面所有沉積的顆粒而裂紋內(nèi)的顆粒則被沉積的鉻完全覆蓋。許多試驗結(jié)果證實了這種涂層(被命名為CSK-36)磨損小,對于同樣的缸套陶瓷顆粒增強鍍鉻層的耐磨性至少為普通鍍鉻層的2倍?？拐持p性也優(yōu)于普通鍍鉻層由于有這些優(yōu)異性能這種鍍層大約占據(jù)了歐洲柴油機市場90%的份額。(2)活塞環(huán)表面磷化工藝磷化膜是由金屬磷酸鹽的結(jié)晶堆積層形成的是多孔而又比較軟的非熔性物質(zhì)，因此具有保油性，適用于初期磨合,同時由于防銹性強所以很適合于活塞環(huán)貯運期保管運用。磷化的實質(zhì)是以磷和碳為主要元素進行的化學(xué)熱處理過程。低溫下在金屬表面形成一層堅固的氧化膜后，在高溫加熱條件下磷及其他微量元素在活塞環(huán)表面進行透磷化層形成相當(dāng)易熔的三元共晶體即富磷的奧氏體、滲碳體和鐵的磷化物的共晶體。這三種磷共晶硬度相當(dāng)高在環(huán)的表層中形成耐磨微粒,提高了活塞環(huán)的硬度和耐腐蝕性。更重要的是這一磷化層耐熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性相當(dāng)高熔化溫度可達l900°C,足以承受發(fā)動機的高溫及燃燒產(chǎn)物的腐蝕作用。與此同時，磷化層既像石墨那樣具有低摩擦因數(shù)與抗磨性能又不像石墨那樣易于著火。由于活塞環(huán)工作表面的磷化，不但使環(huán)的表面抗磨能力提高而且會使與其配套的缸壁活塞等組件都獲得相應(yīng)的抗磨能力這種變化是在發(fā)動機工作時由于氣缸內(nèi)燃料燃燒的高溫作用產(chǎn)生自然熱處理而發(fā)生的C,由于磷化層的厚度太薄，不能保持長時間的耐磨而且存在對環(huán)境污染問題。鋼質(zhì)活塞環(huán)的氮化處理。與鍍:r相比，該處理工藝便宜、可靠且環(huán)保。活塞環(huán)經(jīng)氮化處理后形成鐵和鉻等的氮化物硬質(zhì)表層,耐磨性遠高于鍍鉻環(huán)。氮化處理工藝有氣體氮化、等離子氮化和QPQ鹽浴氮化等。氮化處理技術(shù)以其工藝經(jīng)濟可靠、對環(huán)境友好等特點受到廣泛關(guān)注。近年來,發(fā)達國家已將氮化處理技術(shù)應(yīng)用于活塞環(huán)以取代污染環(huán)境的鍍鉻工藝,國內(nèi)也有不少企業(yè)開始氮化活塞環(huán)的開發(fā)研究。氮化處理主要包括氣體氮化、鹽浴氮化、離子氮化3種處理方式。氣體氮化處理主要用于馬氏體不銹鋼國內(nèi)外多數(shù)馬氏體不銹鋼活塞環(huán)都采用氣體氮化處理;鹽浴氮化主要用于奧氏體不銹鋼活塞環(huán)的表面處理它生產(chǎn)效率較高，成本較低,有毒物污染問題已經(jīng)解決;離子氮化與氣體氮化、鹽浴氮化相比成本較高，生產(chǎn)效率低，但是離子氮化處理活塞環(huán)變形小，且它可以選擇性地只氮化活塞環(huán)的外周面避免整體氮化時產(chǎn)生的硬質(zhì)側(cè)面對活塞的環(huán)槽內(nèi)表面造成磨損有利于活塞環(huán)的光密封度。氮化工藝雖然操作簡單但是處理后的活塞環(huán)表面硬度普遍不高，一般為800?1000HV,并且滲層厚度一般，不能滿足大功率發(fā)動機的使用要求。熱噴涂鉬涂層活塞環(huán)表面涂層材料選擇Mo,主要考慮到是Mo高熔點金屬(2620°C),硬度高(HV>700)，摩擦系數(shù)低導(dǎo)熱性能、耐蝕性能好膨脹系數(shù)小，耐磨性好，此外，在溫度達440C以上時Mo能與發(fā)動機燃油中的S反應(yīng)生成MoS2,MoS2是固體潤滑劑其潤滑作用加涂層的多孔性有利于存儲潤滑油改善潤滑條件,防止氣缸與活塞環(huán)之間產(chǎn)生粘著咬合現(xiàn)象。Mo是一種自粘接材料它可以與很多金屬和合金形成冶金結(jié)合，提高Mo與基材的結(jié)合強度。所以噴鉬活塞環(huán)的初期磨合性和抗拉缸性非常好,因此在美國和西歐應(yīng)用十分普遍。活塞環(huán)表面噴Mo,采用火焰噴涂或等離子噴涂的方式在活塞環(huán)表面噴Mo后，活塞環(huán)不易拉傷缸體、耐磨粒磨損性較好及耐粘著磨損等特性。磨粒磨損性較好及耐粘著磨損等特性。Mo涂層與基體結(jié)合良好，其孔隙率達10%?15%,可以起到良好的儲油效果。純Mo噴涂的活塞環(huán)，雖然涂層與活塞基體有良好的結(jié)合強度和抗粘著磨損性能但也存在一些缺點涂層強度低,耐高溫和抗磨粒磨損性能差易過早產(chǎn)生龜裂或脫落嚴(yán)重影響活塞環(huán)的工作可靠性和使用壽命。因此純Mo涂層已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代內(nèi)燃機發(fā)展的需要。目前,國內(nèi)外已開始就噴涂Mo與多種材料的復(fù)合涂層展開研究。目前一般采用Mo-NiCrBSi涂層，這種涂層的組織結(jié)構(gòu)是在Mo扁平狀變形顆粒之間均勻鑲嵌著NiCrBSi的變形顆粒,涂層以Mo為基礎(chǔ)，有良好的抗咬死性并可以承受瞬時摩擦高溫;涂層中NiCrBSi的合金硬度高，有良好的抗磨粒磨損性能改善了涂層在高載荷下的耐磨性能。噴Mo的工藝主要包括：1?化學(xué)清洗：包括堿洗一水洗一酸洗一水洗一干燥，徹底清除表面油污。2?活塞環(huán)表面噴砂粗化；（目的是除去基體表面的油污和氧化皮，使適合粘接的新鮮表面露出來，改進涂層與基體的結(jié)合強度）。3?噴前預(yù)熱；預(yù)熱溫度100?150°C；4?噴鉬：①火餡噴涂的熱源為乙炔焰等弧焰溫度達3200C,噴涂時出口沖擊速度100m/s用立式噴鉬機，工件在主軸上施轉(zhuǎn)，噴槍在機床一側(cè)，可以上下移動，將鉬絲熔化后噴到環(huán)表面除人工上下料外全部自動化生產(chǎn).典型的火焰噴鉬層的孔隙率為10?15%,沾著力為7MN/m2,適用的涂層材料為鉬絲等線材和鉬粉等。②等離子噴鉬是利用等離子體的萬度高溫作熱源來熔化鉬粉然后噴射到工件表面沉積形成涂層，弧焰溫度高達(1?1.5)X1EC,噴涂時出口速度為150?240m/s,噴鋁前，活塞環(huán)組裝成筒，經(jīng)仔細清理后掛在專用設(shè)備上，送入噴鉑室,活塞環(huán)作回轉(zhuǎn)運動，噴嘴上下運動進行噴涂，操作者在噴鉑室外通過觀察孔進行操縱噴鑰速度達7000?8000片/h。等離子噴涂的典型涂層孔隙率小于10%,粘著力高達30MN/m2。國產(chǎn)GDP-80等離子噴涂機，噴涂前用等離子火焰對工件預(yù)熱，基體溫度為200C為佳；噴涂功率30?60kW；噴涂距離70?140mm；噴涂氣流軸線向噴涂面座保持60?120C的角度，移動速度0.05?0.2m；工作面涂層厚度0.5?0.8mm。緩冷磨削加工8?檢驗等離子噴涂陶瓷涂層等離子噴涂陶瓷涂層活塞環(huán)已成為當(dāng)今國內(nèi)外活塞環(huán)表面處理領(lǐng)域研究的熱點內(nèi)容。陶瓷材料本身具有硬度高熱穩(wěn)定性好,抗擦傷能力強，摩擦系數(shù)低，耐高溫，耐腐蝕的特點而等離子噴涂技術(shù)具有使基體材料受熱少、可制備厚涂層、涂層材料選擇范圍寬以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。所以，采用等離子噴涂工藝制備陶瓷涂層活塞環(huán)結(jié)合了兩者的優(yōu)點既不會引起活塞環(huán)的變形又能夠在活塞環(huán)表面制備出摩擦磨損性能優(yōu)越的陶瓷涂層而且涂層的厚度較厚能夠滿足高載荷發(fā)動機的承載要求。目前AEGoetze公司研制出的涂料CKS-36，是在Cr基上均勻分布含有A1N陶瓷顆粒的復(fù)合陶瓷涂層，這種涂層的鋼質(zhì)活塞環(huán)已經(jīng)應(yīng)用于中速柴油機上。表面等離子噴涂陶瓷涂層是活塞環(huán)表面處理研究的一個重要方面，也是目前高強、高速、高效、低排放內(nèi)燃機用活塞環(huán)研究的熱點。如何使用納米陶瓷技術(shù)解決陶瓷涂層的脆性問題將是今后國內(nèi)外活塞環(huán)表面處理研究的前沿性課題也是未來活塞環(huán)表面處理技術(shù)的發(fā)展方向之一。通過合理選擇陶瓷材料成分設(shè)計陶瓷涂層結(jié)構(gòu)優(yōu)化涂層制備和加工工藝可以研制和開發(fā)出更高性能的陶瓷涂層活塞環(huán)?；钊h(huán)表面激光硬化工藝激光表面處理是利用高能量激光照射工件時對工件表面的加熱、熔化或沖擊作用而進行表面處理的獨特加工方法。該工藝的特點是能夠有選擇地處理局部表面，可以在不改變材料整體性能的情況下在局部表面得到所需性能。活塞環(huán)表面激光處理具有工藝簡單、成本低、效率高、無三廢污染以及可節(jié)省貴重金屬等優(yōu)點研制成功的東風(fēng)型機車10L207柴油機激光活塞環(huán)組和東風(fēng)8型機車16V28(柴油機激光油環(huán)，經(jīng)過實際裝機考核，證明激光表面硬化處理的活塞環(huán)具有良好的耐磨性和耐腐蝕及抗拉缸性能,與缸套匹配性能良好，缸套磨損小，結(jié)果令人滿意,為提高柴油機活塞環(huán)為提高柴油機活塞環(huán)耐磨性能找到了一個新途徑。合金鑄鐵經(jīng)激光處理后一般可見三個區(qū)域：熔化區(qū)，相變區(qū)及基體。（6）氣相沉積氣相沉積技術(shù)按其成膜機理可分為化學(xué)氣相沉積CVD）、物理氣相沉積（PVD）、等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）等幾大類。用于強化活塞環(huán)表面的沉積技術(shù)主要是物理氣相沉積。這里主要介紹物理氣相沉積（PVD）的技術(shù)特點。PVD工藝是在真空中將涂層材料蒸發(fā)并將其沉積在活塞環(huán)基體上。硬質(zhì)涂層的沉積過程是霧化材料和氮氣或碳氫之類的活性氣體發(fā)生反應(yīng)，從而在基體上形成如CrN或者CrC之類的硬相物質(zhì)。蒸發(fā)涂層材料主要有電弧PVD和磁控濺射2種工藝。電弧PVD是利用低壓電弧撞擊靶材，例如Cr生成Cr離子,然后將其導(dǎo)出。這些離子通過偏置電壓加速沖向工件。這種工藝過程最大的不足就是在涂層中有電弧導(dǎo)致的Cr小顆粒的存在這可能會產(chǎn)生涂層機械性能不足以及表面較粗糙的缺陷。磁控濺射使用磁場來產(chǎn)生等離子體。這些等離子體中的離子撞擊靶材然后導(dǎo)出Cr原子。這些原子比電弧PVD產(chǎn)生的Cr離子動能更低，因此濺射工藝的沉積率以及結(jié)合力、內(nèi)聚力更低。濺射涂層的最大優(yōu)點就是涂層非常潔凈并且非常平滑。在可接受的殘余應(yīng)力下已經(jīng)生產(chǎn)的CrN涂層的硬度為1500?2500HV。°5。PVD工藝的涂層厚度取決于基體表面與靶材的相對位置以及電場強度分布。目前，活塞環(huán)PVD涂層的最大厚度為50“M。涂層越厚，固有的殘余應(yīng)力也就越大。氣相沉積技術(shù)在活塞環(huán)上的應(yīng)用已經(jīng)研究多年。但是市場上使用CrN涂層的產(chǎn)品僅有少數(shù)幾種。4?活塞環(huán)毛坯的熱處理工藝及設(shè)備41活塞環(huán)毛坯的熱處理工藝(1)合金鑄鐵毛坯環(huán)的熱處理典型的有VTi、CrWVTi、WVTi、BVTi、CrMoCu、CrMo、CrCu、CrMoW、W合金、B合金等等。單體鑄造活塞環(huán)這種薄壁小件冷卻速度快，鐵水中又含有多種合金元素在毛坯鑄造成形過程中有些材質(zhì)的毛坯環(huán)很容易形成針狀基體組織下貝氏體，少量上貝氏體和馬氏體。如CrMoCu毛坯環(huán)基體組織以下貝氏體為主硬度高達107?112HRB,無法直接加工使用。這種毛坯就必須進行時效處理使下貝氏體、少量的上貝氏體和馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w或珠光體降低毛坯硬度值和毛坯的硬度差,并改善機械加工性能。時效處理工藝圖如下：t(2)球鐵活塞環(huán)環(huán)毛坯熱處理在球鐵鑄件中，雙片球鐵環(huán)屬于薄壁小件毛坯斷面系數(shù)小白口傾向大。雙片環(huán)鑄造毛坯的基體組織以珠光體為主有少量鐵素體，另外還不可避免地出現(xiàn)碳化物(主要為自由滲碳體)。因受到鑄造原材料和工藝等各種因素的影響有一般雙片球鐵環(huán)的鑄造毛坯中碳化物的數(shù)量經(jīng)常高達15%?30%，就必須通過退火或正火處理來消除碳化物。另外雙片球鐵環(huán)毛坯鑄態(tài)硬度高達到100?110HRB,在雙片切片加工時，加工困難，刀具磨損快，也需要通過退火或正火來降低硬度以便于切片加工。根據(jù)球鐵熱處理原理為了消除鑄態(tài)毛坯中的碳化物,退火或正火工藝是加熱溫度在共析轉(zhuǎn)變臨界溫度ic上限以上的高溫石墨化處理。一般處理溫度為930?950°C,鑄態(tài)毛坯基體中的珠光體和鐵素體都轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體而碳化物分解為奧氏體和石墨。冷卻時可以出爐空冷卻為正火處理或者隨爐冷卻即為退火處理毛坯經(jīng)過退火或正火處理后,基體組織最終分解為鐵素體和少量珠光體碳化物數(shù)量要求達到3%以下，即可以認為完全達到退火或正火工藝要求退火或正火工藝曲線如圖如下：空冷（正火）爐冷至500空冷（正火）爐冷至500C出爐（退火）（3）球鐵活塞環(huán)切片后的調(diào)質(zhì)處理雙片球鐵環(huán)經(jīng)過切片在粗磨雙端面后就可以進行調(diào)質(zhì)處理即進行淬火加高溫回火處理。與退火或正火不同調(diào)質(zhì)處理是將球鐵環(huán)毛坯加熱到Ac上限以上溫度加熱使基體中的鐵素體和珠光體完全奧氏體化，淬火時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體再經(jīng)過高溫回火，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w。回火索氏體具有較高的強度、硬度和韌性綜合機械性能優(yōu)良，球鐵環(huán)調(diào)質(zhì)處理工藝曲線如下圖：14?2活塞環(huán)毛坯熱處理的設(shè)備時效處理屬于低溫軟化退火由于溫度低,一般為(550±10°C)X2h，因此合金鑄鐵環(huán)的時效處理可以選用普通井式回火爐其額定加熱溫度為650C即可。球鐵環(huán)雙片毛坯的高溫石墨化退火或正火：目前活塞環(huán)行業(yè)中球鐵環(huán)高溫石墨化退火或正火的電爐主要可以選擇以下三種類型：?臺車式箱式電阻爐，毛坯用專用夾具裝夾后放在臺車上的料筐中推入電爐中處理。?高溫井式爐，毛坯也是在裝夾后放入專用料筐中吊入井式爐中處理。3?高溫箱式電阻爐，毛坯用鐵絲扎緊后推入電爐中處理。球鐵環(huán)毛坯的調(diào)質(zhì)處理：球鐵環(huán)調(diào)質(zhì)處理的溫度一般為940±10°C,與退火或正火基本一致選擇的都是高溫電爐，調(diào)質(zhì)處理用電爐主要可以選擇以下三種1高溫井式電阻爐，如RJ2-S少氧化井式加熱爐，額定加熱溫度為1000C,毛坯環(huán)裝夾后，放入專用料筐,吊入電爐中加熱加熱保溫結(jié)束后吊出進入油槽淬火。2箱式高溫電阻爐，如RX3-45-10S少氧化箱式爐，額定加熱溫度為1000C,毛坯環(huán)用鐵絲扎緊成串后人工推入電爐中加熱加熱保溫結(jié)束后，挑出淬火。5?活塞環(huán)的機械加工選擇活塞環(huán)加工工藝的主要原則是保證活塞環(huán)在工作時有足夠的彈性。為