气缸套的装配（共4篇）
气缸套的装配 篇1
气缸套是发动机的重要零件之一, 其内壁即气缸与活塞顶、气缸盖底面共同构成燃烧室。其表面承受高压、高温燃气的作用和活塞运动时侧向力的作用。活塞在气缸内做高速往复直线运动, 气缸内壁起导向作用。气缸内壁的润滑条件差, 形成油膜困难, 在使用中磨损较快, 尤其是上止点附近区域。磨损后, 在轴线方向呈上大下小的锥形, 在径向呈椭圆形。缸套是柴油机的易损件, 在柴油机大修中往往要更换新缸套。由于缸套构造简单, 安装时往往不受重视, 修后的柴油机常出现漏水、漏气或早期磨损, 影响发动机的动力性和经济性, 严重时发动机甚至无法工作。为了提高维修质量, 减少故障停机时间, 在装配柴油机气缸套时要掌握以下几项技术要领。
1.清洗检查
(1) 装配前要对气缸体进行认真清洗, 去除油污, 彻底清洗缸套和缸体安装孔。
(2) 认真检查气缸套和气缸体有无损伤, 其几何形状、配合尺寸和表面粗糙度应符合规定, 并用平板或直尺检查气缸体上平面和气缸盖下平面, 如果平面度误差超过许用值 (一般为0.10~0.15 mm) 或局部腐蚀出现较深凹坑时, 应进行修理。
(3) 气缸套拉伤严重, 及缸套表面出现空洞、裂纹的应报废, 换用新的缸套。对轻微拉伤的气缸套, 可用0号铁砂纸加机油, 人工沿缸壁作螺旋方向研磨, 使划痕、斑点消失。
2.试装气缸套
在装阻水圈之前, 将气缸套放入气缸体中, 此时气缸套应转动灵活, 无晃动。再检查气缸套上平面高出气缸体的凸出量 (一般为0.05~0.12 mm) , 若凸出量过大, 可磨修缸套上平面;若凸出量不足, 可在气缸套支承面处加环形铜垫片, 使之恢复标准值。同一发动机的各个缸套的凸出量要一致, 相差不得大于0.05 mm。
3.安装阻水圈
气缸套的阻水圈如果安装不当, 将会造成阻水圈渗水, 使机油变稀变质, 润滑条件恶化, 机体零件发生早期磨损等。阻水圈的质量要求是, 阻水圈截面直径应均匀, 橡胶弹性好、无硬化、无裂纹和永久性变形、扭曲等缺陷。阻水圈的分模面飞边宽度应小于0.1 mm, 厚度应小于0.15 mm。它是一次性用品, 不能重复使用。安装时应注意:
(1) 如果阻水圈太细, 或缸套环槽加工太深, 或圆弧过大, 使阻水圈装入缸套后没能高出缸套, 此时, 可先在环槽底部均匀地加衬一层石棉绳, 涂上钙基润滑脂 (黄油) 后, 再装上阻水圈, 然后将缸套压入机体座孔。
(2) 如果阻水圈太粗, 或缸套环槽加工太浅, 阻水圈装入缸套后高出缸套较多, 此时, 为避免安装困难, 应用砂布均匀地打磨阻水圈, 然后在阻水圈表面涂上黄油, 用力将缸套压入机体座孔。
(3) 如果阻水圈粗细不匀, 或缸套环槽深浅不一, 阻水圈装入缸套后, 出现高低不匀, 此时, 应仔细检查阻水圈或缸套, 发现问题及时更换。
(4) 阻水圈装入缸套前, 应仔细检查缸套上阻水圈的安装部位, 并进行仔细的清洗, 还要清洗机体上气缸套的支承环带等部位, 以防杂物粘连在阻水圈上。检查确认机体上的气缸套安装孔没有损伤和缺陷;孔口具有20°左右的导入角;安装阻水圈的环槽应均匀和平滑;无夹砂和气孔等, 否则可切割或划破阻水圈的缺陷。
(5) 阻水圈装入缸套后, 应仔细检查阻水圈是否扭动;缸套装入机体座孔前, 应仔细清理上、下座孔端面上的杂物, 并在下座孔端面涂一层黄油或机油, 然后再将缸套装入座孔。
4.装入气缸体
气缸套在向缸体内安装时, 要注意缸套的方向, 下端有弧形凹口的, 须将凹口置于连杆运动平面内, 并尽量使缸套壁较厚的一侧朝向缸套受侧压力较大的一侧。为使装配顺利, 可在缸套下部涂些油漆或肥皂水, 放正后用专用工具或垫木块轻轻打入。若感觉阻力较大, 应取出缸套, 查明原因予以排除后再装。
缸套压入缸体后, 凸肩上平面应高出缸体平面0.06~0.16 mm, 机型不同高出值也略有差异, 同时周围方向的凸出高度应相同。凸出高度值过小, 紧固气缸盖后, 不能有效地压紧缸套, 易出现漏气及烧气缸垫圈;应在气缸套台肩内侧加紫铜垫;凸出高度过大, 紧固缸盖后气缸套承受的压紧力过大, 易在气缸套台肩处压裂, 则应再加工。东方红RL系列柴油机气缸套端面高出缸体平面0.05~0.12 mm, 湿式气缸套的外壁共有4道凹槽, 其中, 第l、2、4道凹槽装密封圈 (从顶端往下数) , 第3道凹槽较浅为泄漏槽, 对准机体上的泄漏孔, 用以监视密封圈是否失效。同一台多缸机各缸的凸出高度要尽量相同 (不超过0.05 mm) , 以保证气缸垫的密封性。此高度可用深度尺或百分表测量。干式缸套外壁无密封圈, 但按外径直径分组, 分组记号为气缸套上端面所涂颜色, 如有损坏, 应更换相同组别的气缸套, 其上端面同样要高出缸体上平面 (如495柴油机在0.02~0.10 mm之间) , 且各缸高度差不超过0.05 mm。若尺寸不符合要求, 可修刮缸体凹槽的上端面或垫紫铜片。
5.检测
气缸套安装到位后, 由于阻水圈具有一定的紧度, 可能引起缸套变形, 需要进行检查。用内径百分表测量圆柱度、椭圆度, 缸套内径小于150 mm时, 气缸套的圆度和圆柱度误差均不得大于0.025 mm;缸套内径大于150 mm时, 气缸套的圆度和圆柱度误差均不得大于0.03 mm, 否则应卸下缸套, 查明原因并清除故障后重新安装。
以上检查通过后, 应进行水压试验, 确保阻水圈具备良好的密封性能。如有漏水应该立即重新装配, 以免全部零件安装完毕后发现阻水圈漏水而返工。试验方法是:将气缸体水套内充满水, 并用水压机进行加压, 其压力控制在0.3~0.4 MPa范围内, 试验时间保持5 min, 不出现渗漏说明气缸套密封良好。若有问题应及时排除, 以免试机时油底壳进水而被迫返工。最后, 用量缸表检查缸套的圆度与锥度是否在技术标准规定范围之内;若误差过大, 应查明原因并予以排除, 否则柴油机不能进行总装、试机。
摘要：缸套是柴油机的易损件, 在柴油机大修中往往要更换新缸套。本文从柴油机气缸套的清洗检查到气缸套装入缸体后的检测鉴定, 详细地叙述了柴油机气缸套的装配技术要领。
关键词：柴油机,气缸套,装配技术
发动机气缸套的装配与检测技术 篇2
气缸是发动机中燃料燃烧和气体膨胀的地方, 活塞在其中运动压缩气体做功。相对于活塞来讲我们称其为气缸, 如果单独拿出来作为一个零部件, 一般称作气缸套。气缸上部内表面是燃烧室的组成部分, 发动机工作时受到高温高压燃气的冲刷和腐蚀;气缸中间部分是活塞组件运动的导向面, 承受着推压力和摩擦作用, 使气缸表面产生磨损、刮伤和细微裂纹。湿式气缸套外圆表面与气缸体内壁组成冷却水腔, 受到穴蚀和电化学腐蚀作用而损伤。这些缺陷使气缸的工作性能变差, 需要修理或更换。为了提高修理质量, 延长气缸套的使用寿命, 我们必须了解气缸套的结构特点, 掌握气缸套的检测技术与气缸套的正确装配方法。
1 气缸套的结构及特点
根据气缸套是否与冷却液接触, 将气缸套分为干式和湿式两种。
(1) 干式气缸套的特点:气缸套外表面不与冷却液接触。为了获得与缸体间足够的实际接触面积, 保证散热效果和缸套的定位, 干式缸套外表面和与其相配合的气缸体承孔内表面都有较高的加工精度, 而且一般都采用过盈配合。另外, 干式缸套壁薄, 有的只有1 mm厚。干式缸套外圆下端制有不大的锥角, 以便压入气缸体。其顶部 (或缸体承孔的底部) 有带凸缘和不带凸缘两种。带凸缘的过盈配合量较小, 因为凸缘可帮助其定位。干式缸套的优点是不易漏水、缸体结构刚度大、不存在穴蚀、缸心距小、机体质量小;缺点是修理更换不便、散热效果差等。在缸径小于120 mm的发动机中, 由于其热负荷较小而得到广泛应用。
(2) 湿式气缸套的特点:湿式气缸套下部有1~3个耐热、耐油橡胶密封圈密封。其密封形式有涨封式和压封式两种。随着柴油机强化程度的日益提高, 湿式缸套的穴蚀已成为一个突出的问题, 所以某些柴油机缸套有三道密封圈, 最上一道上半部分与冷却液接触, 既能防止配合面生锈, 便于拆装, 又能借其吸振, 减轻穴蚀。湿式缸套的优点是缸体铸造较容易, 便于修理更换, 且散热效果较好。缺点是缸体刚度较差, 易产生穴蚀, 且易漏水。它主要用于大负荷的发动机 (缸径在140 mm以上的柴油机几乎全部采用) 和铝合金缸体发动机。
2 气缸套的技术检验
气缸套在修理前和修理后都必须进行技术检验。修理前的检验是为了确定缸套是否需修或报废, 需修时采用哪级修理尺寸。修后检查是为了鉴定其修理质量, 确认缸套与活塞配合间隙、圆度、圆柱度误差等是否符合技术要求。
气缸套修理的主要目的是消除几何形状误差, 恢复缸套与活塞裙部的配合间隙。因此, 气缸与活塞裙部的配合间隙是衡量机械技术状况和修理质量的重要技术指标。缸套与活塞配合间隙的检验按下面三个步骤进行:
(1) 用外径千分尺测量活塞裙部垂直于活塞销的位置。测后锁紧, 放在千分尺架上。
(2) 安装好内径量表, 并将内径量表插入要测的气缸内, 使测量杆处在活塞在上止点时裙部的位置, 并与曲轴轴线垂直。来回摆动内径量表, 转动表盘, 使大指针的极限摆动位置对“0”。气缸与活塞的配合间隙一般不会大于0.1 mm, 故不需要记小指针位置。
(3) 将内径量表从被测气缸中取出, 插入上述固定了的千分尺内。此时内径量表大指针的读数即为该缸与活塞裙部的配合间隙。
3 气缸套的装配
3.1 干式缸套
(1) 选择缸套。第一次镶套选用标准尺寸的气缸套, 其外径表面粗糙度不高于Ra3.2, 圆柱度不超过0.02 mm;如有倒锥形时, 其圆柱度不超过0.005 mm, 圆度不超过0.05 mm, 下口外圆方向有10×5的倒角。
(2) 干式气缸套安装的技术要求基本与湿式气缸套相同, 所不同的是干式气缸套紧装在气缸体的座孔中, 外表面不与冷却水直接接触。因此, 在安装时应注意的是, 要把气缸套和气缸体座孔表面擦拭干净, 不要涂以机油, 以防影响气缸套散热。根据气缸套的外径尺寸进行试缸, 要保证座孔表面粗糙度不高于Ra3.2, 并留有适当的压入过盈量。
(3) 压入气缸套。将气缸套放正, 用压力机徐徐压入, 或用其他器具压入, 其压力为103 N为宜。为保证气缸套正直地压入, 在压入前应用直角尺在气缸套各方向上进行测量。气缸套确实垂直于气缸体上平面时, 再缓慢施加压力压入。气缸套压入后, 应与气缸体平面平齐。
(4) 在压入气缸套后, 应对气缸体进行水压试验。
3.2 湿式缸套
(1) 拆去旧缸套, 并清除气缸体内的沉积物时, 这些物质很坚硬, 须用砂纸打磨, 将各个接合面处的铁锈、污物全部除去, 直至露出金属光泽为止, 特别是与密封圈接触部位必须光滑, 以防止不平而漏水。如在气缸套下凸肩有硬质沉积物, 由于四周不均匀, 会造成气缸套安装倾斜, 使上凸肩处出现空隙, 压紧气缸盖后出现一个回正力矩, 使气缸套发生变形, 容易发生早期磨损、活塞环折断、活塞偏磨、窜油等故障。
(2) 气缸套安装后要突出机体平面一段距离, 各类型发动机要求不同, 一般为0.07~0.18 mm, 以保证压装气缸盖后, 能更好地密封燃烧室。所以在未正式安装前, 要先将没有装阻水圈的气缸套装入气缸体内, 检查气缸套高出机体平面的距离是否符合要求。如不符合尺寸要求, 可调整气缸套台肩下的纯铜垫片。取出气缸套后, 检查支承台肩与承孔接合面是否接合良好。
(3) 装入气缸套。在装入气缸套前, 把阻水圈套在缸套凹槽上, 要注意不要让阻水圈扭曲, 并使阻水圈周围粗细均匀, 张力相等, 防止压入时破损以保证阻水圈的密封作用, 然后涂以肥皂水或薄机油装入气缸体内, 再次检查各道阻水圈与气缸体的接触是否平整。在压入气缸套时, 应稍加用力即可装入。如装不进去, 应取出查明原因, 不可强行压入。
气缸套的装配 篇3
1 气缸套内表面耐磨机理
气缸套内表面涂覆处理是提高气缸套的耐磨性能、使用寿命的行之有效措施,在气缸套内表面覆盖一层适当软度且富有弹性的保护膜,软质涂覆层是润滑性良好的减磨物质,其基体能镶嵌外来的硬质点,而且能与基材有良好的亲和或共浮性能,不会从基体上成块剥离。保护性的软质涂覆层很薄,容易磨损,必须在基体上覆盖大量块状高硬质点,承担接触磨损,因为硬度高而耐磨,而基体组织和大量脱落后的孔洞贮存润滑油,可提高耐磨性。气缸套内表面强化采用激光淬火、等离子淬火、氮化等工艺,使气缸套内表面硬化,形成局部硬化带从而提高气缸套耐磨性。
2 气缸套表面处理应用及特点
气缸套分为铸铁质气缸套是由含磷和含硼铸铁制造,钢质气缸套由无缝钢管低碳钢制造。下面介绍各种表面技术在气缸套上的应用及特点。
2.1 等离子淬火
等离子弧弧柱的中心温度和淬火层温度可达16 000℃~3 000℃,能快速冷却,形核率非常高,晶粒细化,等离子热原呈高斯亚态分布,热流密度沿深度方向中心大而外缘小,淬火硬化层深度中间大而两侧小,故呈“月牙”形态。等离子表面淬火组织由表面淬硬层、中间过渡层和边缘淬硬层三部分组成。表面淬硬层金相组织主要为超细化马氏体,而中间淬硬层和边界淬硬层主温度相对较低且加热时间短,显微组织主要是隐针马氏体、屈氏体和铁素体的混合体。等离子淬火随工作电流的增大,淬火层硬度也趋于上升,而随着扫描速度或波头数的增大,单道与交叉道的硬度均呈现下降趋势。淬火硬化层的显微硬度从外表层往内部呈现先提高再降低的趋势,交叉道的硬度高于单道,经等离子表面淬火热处理后的试样磨损量减少80%左右,磨损机制主要是氧化磨损和一定的磨粒磨损。
2.2 YAG激光表面处理
起初采用CO2气体激光器,设备尺寸大,投资大,工作气体的纯度高,其价格昂贵运行成本高。目前采用YAG固体激光加工机,其体积小,投资小,运行成本低,固体激光机的波长很短,因此金属容易吸收,热处理效果好,经YAG激光表面处理的气缸套内表面硬化差。组织主要为细针状马氏体,残留奥氏体和石墨。表面硬度可达750 HV0.1,淬硬层深度为0.3~0.35 mm,宽度约为2.5 mm,在磨损实验机上做纯滑动的磨损实验,其磨损量降低约一半,硬化层可以阻止摩擦副表面犁沟的严重发展,磨损量减小,磨痕也较细。
2.3 辉光离子氮化
辉光离子氮化是利用辉光放电原理进行的,在真空炉内充以含氮气体,炉体为阳极、汽缸套为阴极,通电后氮原子被电离,氮和氢的正离子以高速向气缸套表面轰击,由于离子的轰击工件表面产生原子溅射,并且由于吸附和扩散作用氮渗入气缸套表面,使气缸套表面得以硬化,完成氮化工,经辉光离子氮化处理的气缸套,氮化层深度0.12~0.15 mm,氮化层表面硬度1000 HV0.1。气缸套放在氮化炉中加热到540℃,保温10 h随炉冷至20℃,由于氮化会使气缸套2次失效,会导致气缸套变形,并且氮原子附着在气缸套内表面,会使尺寸缩小0.03~0.05 mm,因此气缸套要做好失效处理,精度要求高的气缸套要尺寸补偿。辉光离子氮化处理气缸套若未清洗干净表面易产生斑点,若出炉早表面易发黑。
2.4 挤渗Si C
气缸套挤渗Si C是以珩磨机为主要设备,将承载碳化硅粉末的液体搅拌均匀,加入珩磨头与缸套之间,以珩磨头压力将粉末状碳化硅挤压入气缸套内表面内,这样硬化物碳化硅磨损量很小形成第一摩擦面,基体铸体很快磨损形成储油第二摩擦面,挤渗Si C处理层深度为3.8~14m,硬度达HV400~56,工作中碳化硅会进一步向机体内渗入,不会脱落,与活塞匹配良好。
2.5 松孔镀铬
镀铬层硬度高熔点高摩擦系数小,松孔便于储存润滑油,松孔镀铬层耐磨性很高,一般气缸套镀铬后寿命可提高2~10倍,其磨耗率为0.01~0.03 mm/min,常用于大功率高强载度柴油机,缺点是松孔镀铬成本高,使用中润滑油消耗量大。气缸套镀层上常会出现抗滑“白斑”的酸蚀现象,使磨损加剧。可采用适当的碱性润滑油来消除酸的影响,当气缸套镀铬、钼层后,使用中既无“白斑”现象,磨损量也降低。
2.6 喷钼、钼合金表面处理
热喷涂(或称熔射)是指采用专用设备把固体材料熔化(或软化)迅速喷射到工件表面形成涂层的方法,一般喷涂有以下分类:
用于活塞环、气缸套的喷涂主要有火焰喷涂、等离子喷涂及线爆喷涂等。喷钼层硬度可达700 HV0.1以上,一般为850~1 050HV0.1,最高达1 300 HV0.1;摩擦系数低,抗拉缸性能好;松孔贮油性能好。喷钼与镀铬等表面处理相比较镀铬处理的缺点是:容易降低基体疲劳强度,且磨合性差,有拉缸倾向。喷钼的缺点是喷钼层的耐磨性比镀铬层差。
火焰喷涂。当涂层材料(钼、铁及合金制成的)熔滴喷射速度超过音速形成超音速喷涂。温度达2 500℃~3 000℃的火焰使涂层材料呈熔滴,随着高速火焰喷射向气缸内表面形成涂层。涂层硬度1 000~1 300 HV0.1,涂层孔隙率小于20%~30%,孔隙尺寸(在横截面上最大孔径)小于4m。美国20世纪末又开发了空气和柴油为燃气源的新方法,成本下降,使火焰喷涂方法广泛的推广和应用。火焰喷钼层的特点是缸套表面能有效地保持油膜,使其有良好的抗熔着磨损性能。
近年来喷涂技术从工艺、设备等方面有较大进步,从目前工艺来看,小气缸喷涂都采用线爆喷涂,活塞环与中大气缸孔则是火焰喷涂、等离子喷涂和线爆喷涂都有应用。已经开发出在气缸套表面涂抹固体润滑剂,再行喷涂,改善耐磨性能及减磨性能,已开发了等离子和电弧结合为一体的喷涂设备,涂层质量进一步提高,喷涂工艺正在迅速发展,前景很好,活塞环或缸套喷涂后,易形成低表面粗糙度,有利于形成液力润滑。选用喷涂材料时应选用热膨胀系数与所喷涂基材接近。
3 结语
气缸套表面强化处理的方法对提高使用寿命都是一些行之有效的措施。但这些表面强化处理工艺各自有优缺点,如镀Cr法成本高、污染大、工人劳动强度大;离子氮化具有渗层脆性小、无毒、变形小等优点,但它又具有生产周期长、渗层薄(最多只0.5 mm)、耐腐性能较差、设备复杂、离子氮化处理热胀量稍微偏大等缺点。挤渗Si C工艺成本低,可代替原光整加工的工序,生产周期很短,没有任何变形,应用前景较好。喷涂技术近年来不论从工艺、设备等方面都取得了很大的进展,前景不可估量。
摘要：内燃机气缸套是内燃机关键零件之一,其内表面耐磨性对其寿命起决定性作用。该文阐述了内燃机气缸套内表面耐磨机理,论述了内燃机气缸套内表面强化处理工艺:等离子淬火、YAG激光表面处理、辉光离子氮化、挤渗Si C、松孔镀铬和喷钼合金表面处理的原理、应用及特点,为内燃机气缸套表面强化处理工艺选择提供技术理论依据,对指导生产实践具有显著应用价值。
关键词：气缸套,表面技术,应用
参考文献
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高耐磨发动机气缸套的研究与开发 篇4
国家发改委、科技部、工业和信息化部、国家能源局组织四部委编制的《海洋工程装备产业创新发展战略》指出,到2020年,我国将基本掌握高端装备装备的自主设计建造能力,产业创新体系完备,创新能力跻身世界前列。
国际社会上传统的气缸套材质是灰铸铁,似乎是工业上最成熟、最廉价的金属材料。其实不然,作为气缸套的铸铁并不像普通工业灰铸铁那样简单。随着内燃机产品的不断更新换代,气缸套的材质也在不断发展,传统灰铸铁气缸套性能已经远远不能满足现代内燃机工作要求。从20世纪70年代起,国际上先进发达国家相继开发各种合金耐磨铸铁取代普通灰铸铁作为气缸套材质。80年代以后国内的气缸套材质大多数采用高磷铸铁,到90年代又先后出现了硼铸铁和钒钛铸铁。国外的汽车和柴油机行业也开发出硼铜铸铁和铬钼铜铸铁。与普通灰铸铁相比,这些特种铸铁的综合力学性能和耐磨性能有了显著的提高,因而延长了气缸套的使用寿命,对内燃机气缸套的发展具有重要的贡献。
1 气缸套高性能新材质、新工艺研发的发展趋势
能源的枯萎和工业化进程对人类的生态环境造成的危害,迫使内燃机产品向高效、节能、低排放的方向发展,这就对气缸套提出了更高的要求。目前的合金铸铁缸套在使用寿命上比普通缸套有了显著的提高,但这些材质均属于珠光体范畴,其机械强度和耐磨性都难以满足高效低排放的内燃机对气缸套的要求。近年来,世界各国的内燃机和气缸套的制造商及研究所都致力于提高气缸套的新材料和新工艺的研究和开发,研究和开发气缸套的新材料和提高耐磨性是必然的趋势。气缸套新材料的提高其耐磨性的研发的发展趋势呈两方面的特征。
(1)金相组织的贝氏体化
GB1150—2010内燃机湿式铸铁气缸套技术条件中规定了我国气缸套的材质,其基体的组织为珠光体,缸套材料的强度一般只能在210—260Mpa的水平上。从金相组织分析,除了改善石墨的形态外,并没有其它耐磨损机制。国外气缸套的研究领域根据贝氏体特有的机械性能,着力研究金属基体贝氏体化来改善气缸套性能的技术方案,通过采用一定的条件下的工艺技术,使珠光体组织转化为贝氏体,使材料的强度、耐磨性能、耐腐蚀性能得到大幅度提高。目前国际上气缸套制造商较为成熟的工艺方案为:采用的等温淬火方式促使珠光体向奥—贝氏体转化。在国内,这种工艺方法已为少数有着特殊要求的气缸套领域引进并小范围内使用。
(2)表面处理强化技术
在国际上气缸套表面处理强化技术很少应用,甚至不用。就连科技发达的德国对气缸套表面处理也不感兴趣,并且持有反对态度。理由是:气缸套的表面处理后,整体的机械性能下降,抗拉强度降低,裂纹和断台现象增多,在选配活塞环方面难度较大,活塞环选配不当会加速气缸套的磨损,德国始终以欧标标准作为气缸套生产的唯一标准,而且耐磨性很高。
在近20年间,我国气缸套制造商为了提高气缸套的耐磨性,在气缸套的表面上做了许多的文章,什么等离子淬火、激光淬火、热喷涂以及其它各种表面处理技术,这些表面处理技术在一定程度上起到了耐磨效果,但均没有相应的标准,对使用厂家没有依据可循。存在着各种技术问题,始终未能在行业内得到大范围的推广使用。主要体现在:只提高处理层强度,对气缸套抗拉性能几乎没有任何效果,处理层无法达到令人满意的深度,同时主机厂也不认可,由于处理层的性能不均,难以为发动机提供稳定的工作环境;另外加工成本高,工艺复杂,工效低,难以适应大批量生产需求;再则对存在难以克服的污染问题。
2 TiC材质气缸套的研发
TiC材质气缸套的研发意义主要体现在以下几个方面:
(1)增加了气缸套材料中的新型材质,它具有高性能、低成本的优势。TiC弥散强化铸铁不仅强度高,耐磨性强,而且膨胀系数小、综合力学性能好、热稳定性高,其综合性能远高于高磷铸铁、硼铸铁、钒钛铸铁、贝氏体铸铁,它将为庞大的金属材料大家族中增添了一个新的分支。
(2)我国是气缸套生产大国,发动机的数量和规模位列世界首位,由于TiC材质气缸套具有性能高、成本低、产品性价比优良,一旦投放市场潜力很大,具有广阔的国内外市场。
(3)近半个世纪以来,人类不断进步,工业发展十分迅速,能源的充分利用和生态环境的控制已经成为整个人类社会最关注的两大热点问题。内燃机作为社会拥有量最大,应用范围最广的动力机械,它与能源利用和环境控制这两大问题息息相关。气缸套作为发动机的核心零件,它对内燃机产品的一些重要技术指标提出了苛刻的要求,如效率、能耗、排放等起着重要的支撑作用。TiC材质气缸套的研发与实施将会对社会发展、经济发展起到至关重要的作用。
当前,国内气缸套的材质综合性能不高,耐磨性低下,平台网纹结构差等,这是严重制约达标排放的瓶颈。在气缸套使用过程中经常会出现断台、穴蚀、拉缸、早期磨损、油耗大、冒黑烟等事故,导致发动机长期处于低功率、高油耗不良运行状态中。
TiC材质气缸套的研发与实施是彻底改变这种状况。
其关键技术以下几个方面:
(1)通过研发的TiC弥散强化技术和新的熔炼工艺获得高性能的气缸套材质;
(2)通过弥散强化技术提高气缸套的耐磨性;
(3)研究开发的新型珩磨工艺技术、通过对珩磨机床工艺参数、砂条工艺参数和珩磨方式的合理运用,获得符合ISO13565和DIN4776德国标准要求的平台网纹。
TiC材质气缸套的研发将主要以不同成分灰铸铁为基体,研制TiC颗粒增强复合材料。具体技术指标为:
抗拉强度≥300Mpa;
硬度≥HB280以上,高于GB1150—2010国家标准35%;
耐磨性能比传统气缸套的材质提高3倍;
使用寿命比传统材质的气缸套提高2倍。
根据国家农机检测中心测试,TiC材质气缸套的耐磨性为国内普通气缸套2倍以上,装机后尾气排放达欧Ⅳ标准,可应用于欧Ⅳ环保排放要求的汽车配套。
TiC材质气缸套的实施,有力地提高我国发动机国际市场的竞争力,推动我国气缸套产品原位合成TiC弥散强化铸铁材质的发展及机械加工工艺的进步,有利于促进我国汽车缸套产品的更新换代;有利于汽车行业总体制造水平提高和发展;有利于引用到大型船舶柴油机中,更好地开发海洋资源;符合我国经济持续、快速、稳定发展的总目标。
3 TiC材质气缸套的技术路线及关键技术
(1) TiC材质气缸套的技术路线:
TiC材质气缸套采用原位合成TiC弥散强化技术,并在基体组织中弥散陶瓷类硬质相,从而获得高性能气缸套产品,主要具体研究内容在以下几个方面:
原位反应复合法的基本原理是:在一定条件下,通过化学元素之间或元素与化合物之间的化学反应,在金属基体内原位合成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相,从而达到提高材料性能,选择TiC为颗粒增强相,以低成本的灰铸铁为基体,通过合理的成分设计以及反应温度和反应时间等相关工艺控制,满足在高温铁液内反应合成TiC的热力学、动力学条件,从而获得含有均匀而弥散分布TiC增强颗粒的铁基抗磨材料。项目的主要研究内容包括两部分:
TiCp/Fe复合材料2技术的开发
具体的技术内容包括:
①TiCp/Fe复合材料原位反应铸造技术的开发
这是TiC材质气缸套的重点研究内容。拟在已有的工作基础上,充分掌握熔体中原位合成TiC增强颗粒的热力学、动力学条件;研究和完善控制熔体中原位TiC颗粒的分布、尺寸和形貌与复合材料凝固过程的工艺方法;
②复合材料的性能研究
在完善材料的制备和加工工艺后,将对材料的各种性能进行系统的研究,包括材料在各种状态(铸态和热处理态)下的室温和高温力学性能,耐磨损性能,抗氧化和耐腐蚀性能等。这一项内容还将包括材料的工艺、组织与性能之间的关系研究,以寻求相应于材料最佳性能状态的工艺和微观组织。
TiCp/Fe复合材料抗磨零部件的产业化技术具体的工作内容包括:
①典型气缸套零件加工工艺试验和应用试验大功率重载柴油机以及普通汽、柴油机中选择典型零件,用TiC材质气缸套研究的新材料进行零件的成形加工工艺试验,在达到图纸的要求后,将零件安装在发动机上,进行台架和实际运行试验,并和原有的材料进行对比,以显示新材料在实际应用中的性能优势。
②规模化生产条件下的工艺优化设计
在完成典型零件的工艺和应用试验以后将进行铸造和热处理工艺的优化设计,以满足规模化批量生产的要求。
③产品的批量生产工艺试验(小试和中试)
根据选定的典型零件,进行工艺装备和模具设计与制造,仪器设备选型、按照和调试。然后在企业的生产车间进行新产品批量生产的小试和中试(200吨),并进行工业化试验考核和失效分析。达到稳定技术指标后,制定完整的工艺技术文件,指导规模化生产。
TiC材质气缸套的关键技术
TiC材质气缸套的关键技术主要体现在以下四个方面:
①铁熔体内TiC颗粒的原位合成技术,这是TiC材质气缸套的核心技术。
②各种工艺条件(化学成分、反应温度、反应时间、凝固速度)对TiC增强颗粒的数量、尺寸、形状和分布的影响及防止有害相产生的工艺措施。
③TiC颗粒增强铁基复合材料的铸造成形技术。
④国际先进平台网纹加工技术
TiC材质气缸套将采用一种新的工艺方法,在铸铁熔体中反应合成TiC陶瓷颗粒。这种工艺方法在迄今为止的专利文献中尚未见报道。用这种工艺方法在复合材料中引入的增强体颗粒分布均匀,材料的组织致密,热稳定性好。此外,由于这种工艺的流程简单,成本低,易于实现工业化生产。
TiC增强体颗粒的超细化技术
在复合材料中的增强体颗粒尺度越小,强化效果越好。在国内外已有的有关原位合成制备金属基复合材料的报道中,TiC颗粒能达到的粒度一般都在10μm以上微米级。这对于改善材料的耐磨损性有一定的效果,但对提高材料的强度,特别是高温强度的作用却不很明显。TiC材质气缸套的另一个创新技术是通过对添加剂的预处理,以控制原位反应合成过程中生存的TiC颗粒的尺度,可以使增强体颗粒的大小达到亚微米级。这对于提高材料的力学性能是至关重要的。
TiC颗粒增强体铁基复合材料的应用技术
目前国内外文献报道的关于TiC颗粒增强复合材料的研究,都还处于基础研究和应用基础研究阶段,还未见有关应用实例和商品化的报道,也未形成专利技术。因此,TiC材质气缸套将该项技术用于制备高强、耐磨气缸套零件,这对于颗粒增强铁基复合材料的实用化和产业化也具有明显的创新意义。
a、气缸套材质的化学成分(主要成分)
合金元素含量(%)
b、工艺
通过利用电炉熔炼成熟的工艺方案,利用系统的熔炼工艺技术,实现原位合成TiC陶瓷颗粒弥散强化灰铸铁材料。具体的内容包括熔炼温度、浇注工艺、冷却速度、孕育处理、TiC陶瓷颗粒弥散强化等工艺方法和参数控制,采用系统的工艺和利用批量规模生产的全套工艺参数,从根本上改变灰口铸铁综合机械性能低下这一制约气缸套技术发展的瓶颈问题。
c、材料的显微组织和性能指导性文件
利用试验过程积累完整的数据和工艺参数、显微组织和各种性能之间的相互关系,以及在此基础上建立新材料和产品的质量检验标准,作为批量生产的指导性文件。
d、采用双向双进给珩磨自动检测技术生产国际先进的平台网纹
采用双向双进给珩磨自动检测技术,检测参数采用国际标准化委员会颁布的最新标准,网纹规范,这种平台网纹的特征是保证网纹沟槽一定的储油量,从而始终在气缸套内壁形成稳定均匀的油膜层,避免气缸套与活塞环基体间直接摩擦产生过量的磨粒,影响发动机尾气排放和使用寿命。
网纹参数:
网纹夹角相对气缸套轴线135°±10°
Rz=4-9μm
平均Sk≤-15
K单点波动S≤-10
平均Rk≤1.2μm
K单点波动R≤1.6μm
Rpk≤0.35μm
Rvk≤2-4μm
Mr1≤7%
Mr2≥70%
Tp值满足下表要求:
Tp值
通过采用平台网纹珩磨技术,可为气缸套系统在工作过程中提供良好的油膜形成条件,保证气缸套与活塞、活塞环运动构件间始终保持一层油膜层,防止基体直接接触磨损,大大缩短发动机磨合时间,降低气缸油耗,减少气缸间基体磨损颗粒脱落,并抑制了燃烧室积碳的形成,从而最终改善发动机尾气排放量,为发动机排放提供了优质的工作环境。