CN1225160A - 柴油内燃机的活塞环和/或活塞以及柴油机的磨合方法 - Google Patents

Abstract

两冲程十字头型发动机用的活塞环和/或活塞在其径向外表面上设有磨合层(32、37、40、42),其在径向上的厚度至少为0.1mm,并且是由这样一种材料制成,该材料具有5到60%的固态润滑剂,如石墨,和40到95%的金属粘结剂,如Ni、Al、Si,还可能有高达15%的有机粘结剂。磨合层的宏观硬度小于300HV30。磨合层使发动机可以在起动后在至多三小时的总合运行时间内达到满负荷。

Description

柴油内燃机的活塞环和/或活塞以及柴油机的磨合方法

本发明涉及柴油机式内燃机、特别是两冲程十字头型发动机使用的活塞环和/或活塞，这种发动机在满负荷时的最大燃烧压力超过135巴，其活塞设有数个如为三个到五个活塞环，并在气缸套内作往复运动，冲程至少为750mm，活塞环装在环状槽内时的外直径至少为250mm，每一环状槽在轴向上的高度都比活塞环的高度高，每一活塞环都有一个径向外表面可沿着缸套的内表面滑动。

最新的柴油机式两冲程十字头型发动机被设计出来，可在超过135巴的非常高的最大燃烧压力下运转。这样高的压力会在活塞环上产生非常高的载荷，部分因为当用三个到五个活塞环来阻止燃烧室内的压力向活塞下方传播时，越过这些环的压力差必然很高，部分因为由压缩和燃烧产生的高压力还被极高的温度伴随着，而该高温对摩擦状态具有负面影响，因此活塞环和缸套较易咬住，从而会损坏活塞环和缸套。为了对高压密封，活塞环作用在缸套内表面上的对接压力必然需要提高，这会导致活塞环更容易穿透润滑油膜，致使在某些区域活塞环在缸套的内表面上干滑。

困难的润滑条件会变得更为严重，因为由于环境的原因，发动机需要使用含硫极少或完全不含硫的燃料。而在以前，燃料和润滑油常含有较大数量的硫，硫有助于保持良好的摩擦状态，因为硫是一种优良的润滑剂。

从小的四冲程发动机，人们知道可在内燃机的活塞环上敷设一个含有固态润滑剂的覆盖层(涂覆层)。例如，DE-A1771640曾告诉我们一个只是将钼喷涂在活塞环上的耐磨层会在缸套上造成严重的磨耗，而当将包围有镍的MoS₂微粒引入到耐磨层内时，情况便可改善。US5,239,955曾说过一个具有固态薄膜润滑剂的活塞裙部，该润滑剂包括在树脂如热固性环氧树脂内的石墨和MoS₂。在发动机启动时，某些固态薄膜润滑剂会转移到缸壁的内表面上，而在发动机继续运转时，该润滑剂会停留在活塞和缸壁上。JP A 63-289374曾描述过一个活塞环，该环具有一个硬质氮化耐磨层和一个极薄的外层，该外层由一个固态润滑剂在一铁或镍的金属基层内构成。该外层的厚度小于0.02mm，因此该层在少数几个活塞冲程后便被磨掉。GB 938,120曾提出一种解决活塞环磨合问题的方法，即在活塞环的外表面上喷涂一个0.025到0.125mm厚的覆盖层，其中包括粘结剂、硬质磨料和润滑剂，如粘结在树脂中的氧化铝和石墨。由EP A20126323已知一种汽缸件，其磨合层具有这样的硬度和耐磨性，以致至少需运行1000小时才能将磨合层磨掉。总之，现有技术提出要将硬质耐磨成分包括在磨合层内。

与本发明有关的具有很高最大压力的大型发动机的情况显然与上述四冲程发动机的情况不同。在四冲程的汽油机中，最大压力为40巴左右，而在柴油机中，使用的最大压力为80巴左右。另外，四冲程机的发动机气缸体、活塞和活塞环是由轻金属制成的，而大型发动机的缸套、活塞和活塞环通常是由铸铁、铸钢或钢制造的，以便能承受巨大的压力和温度的影响。所用材料的差异使喷涂在其上的覆盖层的性能难于互相比较，这是因为铸铁和钢与轻金属如铝相比，在摩擦状态、粘结状态、对热影响的反应等方面都有相当大的差异。

在柴油机式大型十字头型发动机磨合时，其满负荷的最大燃烧压力可超过135巴，这时在缸套的内表面上和在活塞环的外表面上会发生咬住的现象，成为棘手的问题。在一些情况下，在磨合尚未完毕前就需更换活塞环并对缸套进行后机械加工。在某些情况下，在发动机能被充分加载前活塞环甚至需要更换好几次。除了耗时和耗财外，这样还影响到发动机的初始调整，因为该调整必须在磨合时进行。

本发明的目的是要改进活塞环和/或活塞，使它们能够对相关的发动机进行较快而较少问题的磨合，办法是至少将活塞环且最好连活塞也一同保护起来，使它们至少在发动机被满负荷加载之前免被咬住。

为了这个目的，按照本发明的活塞环和/或其活塞具有以下的特征，即在新制出的状态下，活塞环的径向外表面和/或活塞的一部分径向外表面设有一个包括有固态润滑剂和金属粘结剂的磨合层，该磨合层在径向上的厚度至少为0.1mm，其组成以重量百分比计，除了通常遇到的杂质外，包括5到60％的固态润滑剂，如石墨，和40到95％的金属粘结剂，如Ni、Al、Si，还有任选的可达15％的有机粘结剂，磨合层的宏观硬度小于300HV30。

在活塞环初始磨合时，活塞环的径向外表面被磨掉成为带小平面的形状。由于环状凹槽比活塞环高，活塞环能在所属环状凹槽内沿轴向自由运动，在越过活塞环的巨大压力差的影响下，活塞环会在凹槽内倾侧或略微被扭转，因此在活塞进行往复运动时活塞环的外表面与缸套的内表面将形成一个变动的角度。随着活塞环最初的许多次倾侧，其顶边或底边将以极小的区域与缸套的内表面对接，连同极其高的表面压力，造成活塞环材料快速被磨掉，这大概是因为环边暂时穿透缸套内表面上的油膜的原故。随着活塞环的径向外表面变成带小平面的形状，对接面积被增大，表面压力就可降低到油膜被穿透的限度之下。

如果在这个磨平过程中，在活塞环的外表面和缸套的内表面的润滑很差，那么在两个相互滑动表面之间的摩擦就会产生高温，初始的咬住(卡住)就会出现在活塞环与缸套的对接区域内。一旦在局部区域上出现咬住，那么在活塞环上形成的极其粗糙的表面将使摩擦增加，因而过高的温度水平将被保持下来，而咬住现象将被扩展到活塞环上更大的区域，一直到活塞环被完全报废为止。在活塞环上粗糙的咬住区域还能使咬住发生在缸套的内表面上，这也会使温度水平升高。

由于对接压力随着发动机载荷也就是最大压力的增加而增加，因此重要的是，磨合层的防止出现咬住一定要坚持到发动机能在满负荷运行一段时间，使活塞环外表面被磨成小平面的过程得以完成。为了做到这一点，磨合层必须具有至少0.1mm的厚度。能够使用比较厚的磨合层，例如厚度为0.13、0.15、0.19或0.25mm，甚至1或2mm或更厚，因为在第一轮中，小平面是在磨合层上磨出的，而在磨合的最后一个部分或在磨合结束后，小平面是在下面的、基本较硬的活塞环材料上缓慢地磨出的。这样，当活塞环对缸套的对接面积大到足够使润滑油膜不再被穿透时，磨合便告完毕，同时磨合层也被去掉。

对本发明来说重要的是，磨合层是软的，其宏观硬度小于300HV30。而在现行的具有很高最大压力的大型发动机中，人们一直肯定地认为活塞环的外表面必须含有一种硬质材料，至少在部分磨合期内当发动机载荷被提高到超过50％时应该如此。而本发明则已经确认，采用软磨合层的活塞环能够很好地承受发生在发动机上部载荷区域内的巨大影响，并且软材料能较快地磨出带小平面的形状，因而磨出小平面(剖面)能有效地在软材料中进行。

在磨合层的含量中，5到60％的固态润滑剂可从最初磨出小平面一直到对接面积变得足够大以致活塞环不再透过油膜这一段时间内，确保维持足够的润滑。如果固态润滑剂小于5％，那么摩擦状态会变得太差，而如果其含量高于60％，那么要将润滑剂足够好地连结到活塞环的外表面上就相当困难。最好采用石墨作为固态润滑剂，但也可使用其他公知的润滑剂，如MoS₂、LiF和CaF₂，及其混合物。作为金属粘结剂(料)，最好用Ni或Al，两者都是软金属，但其他软金属如Cu、Ag、Si和/或Zn也可使用。

在一较优的实施例中，磨合层用热喷涂敷设在由钢、铸钢或铸铁铸造的活塞环或活塞的坯料上。热喷涂是一种具有高效普遍为人所知的方法，它能用来敷设成分多变的覆盖层。热喷涂的覆盖层能相当好地粘结在钢或铸铁的表面上。作为热喷涂的替代方法，可通过浸没在所需磨合层的熔化浴液内来敷设覆盖层，但采用这种方法，可能较难控制对活塞环或活塞的热影响。

众所周知可在铸造的活塞环上提供一个硬质耐磨层来延长活塞环的寿命。这里可介绍一下瑞典DAROS AB公司所提供的铸铁活塞环，该环具有商业牌号为PM2、PM10或PM14的硬质耐磨覆盖层。这些覆盖层含有微观硬度超过1800HV的颗粒，并且是被热喷涂在外环面上。为了防止这种极硬颗粒咬住在缸套上，覆盖层的外表面被抛光。由于缸套和活塞环的制造公差，新制出的活塞环并不在整个圆周上与缸套完全接合。这时在活塞环和缸套之间的密封可这样改进，即在具有硬面并经抛光的外环面上涂敷一个铜或纯石墨的极薄覆盖层。在缸套和活塞环互相对接的地方经过两、三次活塞的来回冲程，这个薄覆盖层便可被磨掉，但它也可逗留稍长时间并将环和缸套之间配合不够准确的地方密封。如果需要将按照本发明的磨合层涂敷在由钢、铸钢或铸铁铸造的活塞环件上，而该环件已被敷设有在某些点上微观硬度超过1200HV的耐磨层，那么最好将喷涂耐磨层所产生的表面粗糙度保持下来，直到将磨合层涂敷在耐磨层上。自然，这样做可有效地使制造过程简化，因为喷涂耐磨层后的抛光工序可被省略，但更重要的是，磨合层为了达到预期效果，必须牢固地粘结在活塞环的外表面上，而这在抛光的硬面上是很难做到的。磨合层如果粘结得不够牢，它会在所希望的磨掉成为小平面之前就已在某些区域破裂开成为碎片。

众所周知在磨合时活塞也可能会被咬住。因此最好在活塞的径向外表面上位在顶活塞环的环状槽和活塞顶面之间的上部，用热喷涂将由钢、铸钢或铸铁铸造的活塞坯敷设一个厚度从0.1到5mm的复合层，其中由磨合层构成其最外部。通过将喷涂层堆积到一个基本上大于磨合层本身所需的厚度，在活塞和缸套内表面之间的在顶活塞环以上的区域中的环状空间内用自润滑的材料填充，该材料在与缸套的内表面接触时不会发生咬住现象。这个环状空间的填充可提供另一个优点，即顶活塞环可在燃烧室的极高温度下得到保护。高温对润滑状态具有负面影响，因为润滑油膜在高温下较易破碎。这样，该实施例就可有效地改善在顶活塞环周围的润滑状态，从而可减少发生咬住的危险，不仅是在磨合时，而且是在随后的发动机的正常运行时。

在另一个实施例中，由钢或铸铁铸造的活塞坯是在活塞径向外表面的下部即位在底活塞环的环状槽和活塞下端之间的区域内被热喷涂一个磨合层。对此应该知道，该活塞可具有一个活塞裙部，所谓裙部即向活塞的下端延伸而用螺栓固定在该下端上的活塞的下部。在这个通常位在活塞裙部上的下部，活塞可与缸套的内表面接触。在这个部位上敷设磨合层，那么当缸套的内表面还比较粗糙正在进行磨合时，在活塞上发生咬住的作用就可被抵制。随着缸套内表面上的最高点被磨掉，活塞发生咬住的危险也就被减少，因此只要将磨合层敷设在活塞下部就足够了。

有可能只将磨合层敷设在活塞环上，但最好所有活塞环都被用磨合层覆盖，而活塞至少在其位在底活塞环环状槽之下的下部被磨合层覆盖，这样便有可能使发动机较快地磨合，因为活塞和活塞环发生咬住损坏的危险已在相当大的程度上被减少。

本发明还涉及一种用来磨合柴油机式的两冲程十字头型发动机的方法，该发动机在满负荷时的最大燃烧压力超过100巴，并且在该发动机中，就气缸中的至少一个气缸而言，有一缸套，一个带有数个新制出的活塞环的活塞可在缸套内往复运动，其冲程至少为750mm，每一活塞环有一至少为250mm的外直径和一对接在缸套内表面上的径向外表面。

已知的磨合这种发动机的方法通常要延续许多小时，在此期间内发动机的载荷被逐步提高，中间发动机须暂停，以便在载荷被增加前检查活塞环是否被咬住。通常发动机以大约15％的载荷起动，运行半小时，检查活塞环。然后发动机重新起动，在两、三个小时内分步提高到约40％的载荷，并在重新暂停30分钟后再起动，在至少三小时以上将载荷分步提高到90％，然后将载荷增加到100％。这样该发动机从第一次起动要经过至少六小时的总合运行时间才能达到满负荷，其间该发动机要被暂停和重新检查。尽管磨合如此缓慢，但在上面提到的最新的发动机内仍可观察到许多与活塞环咬住有关的问题。当需要更换并安装新的活塞环时，磨合程序又得从头开始，重复进行。

按照本发明的方法的特征为，发动机在起动后至多在三小时的总合运行时间内便可达到满负荷，在该期间内，在发动机起动前被设置在新制出的活塞环的径向外表面上和/或在活塞的一部分径向外表面上的磨合层至少有一部分被转移到缸套的内表面上，而该磨合层在发动机起动前在径向上的厚度至少为0.1mm并且由宏观硬度小于300HV30的材料制成。当将新制出的活塞环装到新制出的缸套内时，可将发动机在至多为三小时的总合运行时间内带到满负荷，其时最大燃烧压力超过135巴。

软而厚度适当的磨合层使我们有可能在进行磨合程序时，载荷能显著较快地增加到满负荷，同时发生咬住损伤的危险显著小于所述这种型式的已知发动机。较快和较安全的磨合可大大节省在制备发动机上所花费的时间。同时有可能以较高的程度将磨合集中到发动机零部件所必需进行的调节，如燃料喷射程序和增压器系统的调节上。

除了软磨合层能较快地在活塞环的外表面上磨出小平面外，磨掉的材料被沉积在缸套的内表面上，特别是在其顶部上。这是因为燃烧室内的压力最高是在活塞将曲轴从其上死点向下转动第一个20°的那部分发动机周期(循环)内，而磨耗是在压力高时发生的。沉积在缸套内表面上的材料有助于提供防止咬住的润滑状态，并且在缸套顶部区域的沉积对该区域特别有利，因为温度很高，该区域是油基润滑剂最难立足的地方。本发明有可能使用这样一种缸套，其内表面是由一个喷涂的耐磨层制成的。也可以将本发明应用到一台发动机上，其缸套的内表面设有一个敷设在硬质耐磨层顶面上的由软材料构成的磨合层。

最好发动机在至多为90分钟的总合运行时间内达到满负荷，这个运行时间大部分对应于考虑发动机的轴承和调节发动机的构件所需的运行时间。这样，这个磨合程序就不再由于考虑气缸零件的防止咬住而被确定。

柴油机的活塞环是逐渐磨损的，其使用寿命比缸套短。当在已知发动机的气缸内的活塞环须更换时，必须用许多小时如超过6个小时逐渐增加载荷来进行磨合。这种情况典型地会在一条需要遵守预定航行日程的船上发生，过期则要船主罚款，典型地为每天25,000-40,000美元，因此在将一组新的活塞环装到发动机的气缸内后，如果能减少所需的磨合时间，显然是有利的。

按照本发明的方法，可将一个设有数个新制出活塞环的活塞装到以前使用过的缸套内，并且在发动机起动后至多一个小时的总合运行时间内便可达到满负荷。由于只需这样短的磨合时间，所以像平常那样在港口停泊时便可更换新的活塞环而不会有什么问题，这是因为这个磨合时间比通常从发动机起动到满负荷航行命令发出所需花费的时间来得短。

现在结合附图对本发明的实例作较详细的说明，在附图中：

图1为通过缸套上部的纵向剖视图，其中活塞和活塞环都在上死点上，

图2为通过活塞环的剖视图，该活塞环是在铸造的环材料上直接涂敷一个磨合层，

图3为通过活塞环的另一个实施例的剖视图，该环是在喷涂在铸造环材料上的硬质耐磨层的外侧涂敷一个磨合层，

图4为按照本发明的活塞的片段的侧视图，

图5为按照本发明的磨合发动机的方法的一个实例的图解。

图1示出一台大型两冲程十字头型发动机的缸套1的上部，该发动机可被用作驱动发电机的固定发动机或者作为船舶的推进发动机。根据发动机的尺寸，缸套可被制成不同的尺寸，气缸孔典型的尺寸为从250mm到1000mm，相应的典型的长度为从1000mm到4500mm。缸套通常由铸铁、钢或铸钢制成，在其内表面上设有一个喷涂的耐磨层，缸套可以是整体的或分成至少两个部分，这两部分在长度上互相连结在一起。在分开的缸套内也可能用另一种与下部不同的基体材料来制成上部。

缸套以公知的方式装在发动机内，图上只是部分示出，由一环状的、面向下的表面3定位在发动机框架箱或气缸体内的顶板4上，活塞5被装在缸套内，缸盖6被安排在缸套顶部的环状的面向上的表面上，并用图上未示出的缸盖螺栓夹紧到顶板上。

缸套的下部设有图上未示出的环状排列的扫气空气口。活塞可沿缸套的纵向在上死点(上止点)和下死点(下止点)之间移动，在上死点，活塞的上表面9位在缸盖6的孔内，而在下死点，活塞的上表面9位在扫气空气口下端的紧下方。

通过活塞杆10、十字头和连杆，活塞以公知的方式与发动机的曲轴连接。每当曲轴旋转360°，活塞就从下死点移动到上死点并重新返回。

缸套1在表面3和7之间的上部被制成具有较大的外直径，而在这个部分的顶部有许多细长的冷却孔14从一在外面的凹槽15钻入到缸套的壁内，使得这些直的冷却孔的纵轴相对于缸套的纵轴而沿倾斜或歪曲的方向延伸。在每一冷却孔内插有小管或挡板，以便导引流入的冷却剂，使它从凹槽15上升到该孔的上死端，从该处冷却剂向下流动并流出到一室16内，从该处冷却剂通过管17流动到缸盖内。应该注意到，冷却孔被图示得似乎它们的纵轴线是在剖切平面内延伸，但在实际上它们是相对于剖切平面斜向延伸。凹槽15被一环状盖板18封闭。公知冷却孔可以有其他的设计，如在缸套壁内埋入弧形的管道并在缸套外表面的顶部开口流出到一室内。

在缸套的内表面13上可设有一个或多个热喷涂在其上的硬质耐磨层，该耐磨层可由陶瓷或陶瓷与金属的混合物，即所谓金属陶瓷制成，或者是一个有极硬的颗粒埋入在一较软的金属基体内的耐磨层。该基体例如可包括Cr、Ni和/或Mo，而该硬质颗粒例如可包括碳化物、氮化物、硼化物和/或氧化物。耐磨层之一也可以是钼和氧化钼的混合物。另外还可以使缸套设有一个在最里面的软磨合层，该层可包括固定在粘结剂Ni、Mo、Al或Ag内的石墨。也可以省掉在缸套内表面上的软磨合层，这样可更快地使活塞环磨合，因为在那种情况下，它们直接在缸套的硬质耐磨层上或铸造的基体材料上滑动。缸套在其内表面可被制成波顶被除去的波状模样(花纹)。所说模样可在缸套的整个内表面上制出，也可以只在缸套的上部制出，该上部例如在活塞向下冲程的第一个40％时活塞环所扫过的部分，也可以采用其他的相对尺寸，如20％、25％、30％或35％或它们之间的中间值。波状模样有助于在活塞环和缸套内表面之间保持最佳可能的润滑条件，因为润滑油能被收集在波沟的底部，以便用来供给沟间的台地。当新活塞环在新缸套内被磨合时，活塞环的外表面在近乎平面的台地上滑动。

在图1中活塞5是在上死点。该活塞设有四个活塞环19，其中顶活塞环为一标准斜切环或一个气密式环，也就是气体基本上不能从环的分离处通过，这一点可以做到，例如使环的一端有一扁平的突部，然后将它插入到另一端的相应凹槽内。在顶部以下的第二和第三活塞环及底活塞环可用传统的斜切环，其分离处形成一个间隙在环的上、下表面之间沿着倾斜于圆周的方向延伸，或者可用近似气密式的环。在本发明的文本中，活塞环一词被用来指活塞压缩环。

图2中的活塞环19具有一个由铸铁铸造的活塞环坯30，在其径向外表面31上用热喷涂敷设厚度至少为0.1mm的磨合层32。图3中的活塞环19具有一个由钢或铸钢铸造的活塞环件34。由于该件不是由铸铁制成的，在其钢的径向外表面35上必需敷设一个耐磨层36，该耐磨层的材料须在缸套的内表面上有令人满意的滑动性能，例如由瑞典DAROSAB公司制造的材料PM2、PM10、PM14、PM20、PM28或L1中的一种。然后用热喷涂将一个厚度至少为0.1mm的磨合层37涂敷到耐磨层的径向外表面33上。在活塞环上的磨合层的厚度也可以大于0.1mm，例如从0.13到3.0mm，但最好至多为2.0mm。

图4示出活塞5的片段，中部已被略去。在活塞的径向外表面上有一个厚度从0.1到5mm的软层40涂敷在活塞的上部38，该上部是从顶活塞环的环状槽向上延伸到一个用来安装活塞提升工具的切口39。该层的最外部的作用为一个磨合层，该层具有与活塞环所用磨合层相同的成分。活塞的下部具有一个用螺栓固紧到活塞上部的活塞裙部41。这两部分的分界面用虚线示出。活塞裙部的外表面用热喷涂敷设一个厚度至少为0.1mm的磨合层42。

用热喷涂将材料层喷涂到圆形物件上是大家都知道的方法。这个热喷涂例如可以是火焰喷涂、等离子喷涂、HVOF喷涂或电弧喷涂。关于喷涂的各种方法，例如在EP-B 0 341 672、EP-A 0 203 556、WO95/21994和WO 95/02023中都有说明。在喷涂时可使用填充剂(填料)，该填充剂以重量百分比计，除了通常可遇到的杂质外，例如可具有下列组成中的一种：

(a)5到60％的石墨和40到95％的Ni,

(b)5到60％的石墨和40到95％的Al,

(c)5到60％的石墨和40到95％的Si和/或Al，或

(d)5到60％的石墨、20到90％的Si和/或Al、和5到15％的有机粘结剂。

较好的组成是填充剂包括20到25％的石墨和75到80％的Ni和/或Al，或填充剂包括15到25％的石墨和75到85％的Ni和/或Al。实例1

四个外直径正好在600mm之下的铸铁活塞环被边靠边地固定着，并用METCO生产的标准等离子喷涂装置涂敷一个磨合层。喷头和活塞环的外表面之间的距离为115mm，所用电流为500A。喷头和活塞环之间的相对转速被设定为27rpm，活塞环在轴向上的进给被设定为7mm/每转。含有20％石墨和80％镍的镍覆盖石墨球的粉状原始材料以95g/分的量供入。每当内表面走过一次，在活塞环上沉积一个0.02mm厚度的层。所用载带气体为氮。沉积的厚度被堆积起来一直到形成一个厚度为0.15mm的层。测得该层的平均硬度为140HV30。活塞环被分开，不再经过后加工就可装在一台两冲程十字头发动机的标准缸套内的活塞上。该发动机的正常最大燃烧压力为145巴。在15％的载荷进行30分钟的初始运行后，将载荷在15分钟内增加到100％，继续运行1.5小时，令发动机停止并检查缸套。未能观察到有实际咬住的迹象，不管是在活塞环的外表面上还是在缸套的内表面上。磨成的小平面可以在活塞环的外表面上观察到，这表明活塞环可连续运行而不形成咬住现象。还可观察到部分磨合层已从活塞环沉积到缸套的内表面上的活塞环所扫过的区域的顶部四分之一的区域内。实例2

气缸孔径为350mm的两冲程十字头发动机用的活塞裙部，用火焰喷涂将其圆柱形外表面涂敷上一层厚度为1mm的上述型式的磨合层。在涂敷后测得涂层的平均硬度为75HV30。将包括有活塞裙部的活塞装到发动机的一个传统的缸套内，以传统的方式运转气缸，磨合后在活塞裙部上没有观察到有咬住现象。

图5示出一台十字头型新柴油机的磨合方法的一个例子，其中发动机的活塞环涂敷有上述型式的软磨合层。在发动机装配好以后，开始运行，先在15％的载荷下运行30分钟，然后停止发动机，检查活塞环的状态。在停止30分钟后，增加载荷，按五分钟的间隔从15％陆续增加到25％、40％和50％，在50％的载荷下运行30分钟，然后不停车地增加载荷，按五分钟的间隔陆续将载荷增加到60％、75％、85％、90％，最后到100％。这样，全部发动机载荷便可在略微超过1.5小时的总的运行时间内达到。这种快速磨合到满负荷之所以可能就是由于在活塞环上的软磨合层。也可以按照其他的载荷渐增的方式来完成磨合。

在一次不寻常的实验中，所用发动机为现行型式，气缸尺寸为350mm，正常的最大燃烧压力为145巴。先将该发动机在15％的载荷下运行30分钟以便磨合主轴承，然后在15分钟内将载荷逐渐增加到100％。这个全载荷被维持1小时，然后将发动机停止并检查活塞环的状态。令人惊奇的是，虽然非常急剧地进行磨合，但在活塞环的外表面上并未观察到有咬住现象。

磨合层的宏观硬度不仅取决于磨合层的组成，而且取决于涂敷的方法。宏观硬度取决于各组分的微观硬度。石墨本身并没有可供测量的微观硬度，这意味着石墨含量增加时，磨合层的微观硬度就降低。金属粘结剂的微观硬度取决于涂敷的方法，可以一提的是，例如对于镍和石墨组成的层，在镍相中曾经测得，当该层用火焰喷涂时，微观硬度为100HV，而当该层用等离子喷涂时，微观硬度可达600HV。这样，磨合层的宏观硬度可根据需要在40HV和300HV之间变化，这可通过改变石墨的含量和当需要一个极软的磨合层时选用火焰喷涂来实现。如果选用电弧喷涂，该层便可变得硬些，采用等离子喷涂可变得更硬，而当采用HVOF喷涂，可达到最硬。

Claims (13)

1．在柴油机式的内燃机，特别是两冲程十字头型发动机中使用的活塞环和/或活塞，这种发动机在满负荷时的最大燃烧压力超过135巴，其活塞(5)设有数个如为三个到五个活塞环(19)，并在气缸套(1)内作往复运动，其冲程至少为750mm，活塞环装在环状槽内时的外直径至少为250mm，每一环状槽在轴向上的高度都比活塞环的高度高，每一活塞环都有一个可沿着缸套的内表面(13)滑动的径向外表面，其特征为，在新制出的状态下，活塞环的径向外表面和/或活塞(5)的一部分径向外表面设有一个包括固态润滑剂和金属粘结剂的磨合层，该磨合层(32、37、40、42)在径向上的厚度至少为0.1mm，其组成以重量百分比计，除了通常遇到的杂质外，包括5到60％的固态润滑剂，如石墨，和40到95％的金属粘结剂，如Ni、Al、Si，还有任选的可达15％的有机粘结剂，该磨合层的宏观硬度小于300HV30。

2．按照权利要求1的活塞环和/或活塞，其特征为，磨合层(32)用热喷涂敷设在由钢或铸铁铸造的活塞环或活塞坯(30)上。

3．按照权利要求2的活塞环和/或活塞，其特征为，由钢或铸铁铸造的活塞环件利用热喷涂覆盖上一耐磨层(36)，该耐磨层的材料在某些点上的微观硬度超过1200HV，由喷涂耐磨层产生的表面粗糙度应被保持下来，直到将磨合层(37)喷涂在耐磨层上。

4．按照权利要求2或3的活塞环和/或活塞，其特征为，在活塞的径向外表面上位在顶活塞环(19)的环状槽和活塞顶面之间的上部(38)，由钢或铸铁铸造的活塞坯设有一个热喷涂层，其总层厚度从0.1到5mm，其中所述磨合层(40)构成其最外部。

5．按照权利要求2-4中任一项的活塞环和/或活塞，其特征为，由钢或铸铁铸造的活塞坯在其径向外表面上位在底活塞环(19)的环状槽和活塞的下端之间的下部(41)设有一个热喷涂磨合层(42)。

6．按照权利要求2-5中任一项的活塞环和/或活塞，其特征为，所有活塞环(19)都覆盖有磨合层(32、37)，而活塞(5)至少在其位在底活塞环的环状槽之下的下部覆盖有磨合层(42)。

7．按照以上权利要求中任一项的活塞环和/或活塞，其特征为，在活塞环上的磨合层(32、37)的厚度为0.13到3.0mm，最好至多为2.0mm。

8．按照以上权利要求中任一项的活塞环和/或活塞，其特征为，用于热喷涂磨合层(32、37、40、42)的填充剂的组成以重量百分比计，除了通常遇到的杂质外，可以包括下列组成中的一种：

(a)5到60％的石墨和40到95％的Ni,

(b)5到60％的石墨和40到95％的Al,

(c)5到60％的石墨和40到95％的Si和/或Al，或

(d)5到60％的石墨、20到90％的Si和/或Al和5到15％的有机粘结剂。

9．按照权利要求8的活塞环和/或活塞，其特征为，填充剂具有15到25％的石墨和75到85％的Ni和/或Al。

10．一种用于磨合柴油机式的两冲程十字头型发动机的方法，该发动机在满负荷时的最大燃烧压力超过100巴，并且在该发动机中，就气缸中的至少一个气缸而言，有一缸套(1)，一个带有数个新制出的活塞环(19)的活塞(5)可在缸套内往复运动，其冲程至少为750mm，每一活塞环有一至少为250mm的外直径和一对接在缸套内表面(13)上的径向外表面，所说方法的特征为，将发动机起动并在至多三小时的总合运行时间内使发动机达到满负荷，在该期间内，在发动机起动前被设置在新制出的活塞环的径向外表面上和/或在活塞的一部分径向外表面上的磨合层(32、37、40、42)至少有一部分被转移到缸套的内表面(13)上，而该磨合层在发动机起动前在径向上的厚度至少为0.1mm并且由宏观硬度小于300HV30的材料制成。

11．按照权利要求10的方法，其特征为，使具有新制出缸套的发动机在至多三小时的总合运行时间内达到满负荷，其时最大燃烧压力超过135巴。

12．按照权利要求10或11的方法，其特征为，使发动机在至多1.5小时的总合运行时间内达到满负荷。

13．按照权利要求10的方法，其特征为，将一个设有数个新制出活塞环的活塞装到以前使用过的缸套内，起动发动机并在至多一个小时的总合时间内使发动机达到满负荷。

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