Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Ответ на вопрос, из какого материала делают поршневые кольца, короткий: чугун или сталь — с защитным покрытием рабочей поверхности или без него. Серый низколегированный чугун с пластинчатым графитом долгое время остаётся основным материалом массовых компрессионных и маслосъёмных колец; высокопрочный чугун с шаровидным графитом, легированный хромом, никелем, молибденом, медью или марганцем, применяется в первых компрессионных кольцах форсированных дизелей; стальные кольца — там, где требуется максимальная упругость и термостойкость.
Требования к материалам, твёрдости, упругости и пределу прочности при изгибе поршневых колец двигателей внутреннего сгорания установлены ГОСТ 621-87 и ГОСТ Р 53843-2010. На рабочую поверхность наносят функциональные покрытия — твёрдый и пористый хром, плазменно или газопламенно напылённый молибден, нитрид хрома (PVD-покрытия), фосфатные плёнки приработки.
Поршневое кольцо одновременно решает несколько задач: уплотняет надпоршневое пространство от прорыва газов в картер (компрессионные кольца), снимает излишки масла со стенок цилиндра (маслосъёмные кольца), отводит тепло от днища поршня к стенкам гильзы и удерживает поршень от перекосов в цилиндре. Условия его работы — одни из самых нагруженных в двигателе.
Из этих условий следуют требования к материалу: высокая износостойкость в условиях граничной смазки, термостойкость, упругость (способность сохранять заданное радиальное давление при длительной работе при повышенной температуре), достаточная прочность и пластичность для безударного монтажа, способность к приработке к гильзе.
Главный компромисс материала кольца — высокая износостойкость при сохранении упругости и достаточной пластичности для приработки и монтажа.
Чугун остаётся основным материалом для поршневых колец массовых двигателей. Решающее преимущество — графитовые включения в металлической матрице: они работают как естественный сухой смазочный материал, благодаря чему чугунное кольцо хорошо переносит кратковременные нарушения смазки и режимы пуска. По действующим стандартам кольца изготавливают из серого низколегированного или высокопрочного чугунов.
Серый низколегированный чугун — основной материал второго и часто первого компрессионных колец массовых бензиновых и дизельных двигателей, а также маслосъёмных колец. Пластинчатые включения графита обеспечивают самосмазывающие свойства и хорошую приработку. По действующим стандартам микроструктуру оценивают по графиту и металлической основе.
Высокопрочный чугун (с шаровидным или вермикулярным графитом) применяется в первых компрессионных кольцах форсированных и дизельных двигателей, где требуется повышенная прочность и сопротивление ударным газовым нагрузкам. Шаровидная форма графитовых включений снижает их влияние на прочность матрицы, и по пределу прочности при изгибе высокопрочный чугун приближается к стали, сохраняя графитовое «самосмазывание».
Для поршневых колец судовых, тепловозных и промышленных дизелей применяют антифрикционные сложнолегированные чугуны с шаровидным графитом, содержащие хром, никель, молибден, медь, марганец или другие легирующие элементы. Согласно ГОСТ 621-87 суммарное содержание легирующих в таких чугунах составляет не менее 2,3 %.
Стальные кольца применяют там, где требуется максимальная упругость и термостойкость — в первых компрессионных кольцах современных форсированных бензиновых и дизельных двигателей, а также во многих маслосъёмных кольцах со стальными стяжными пружинами. По ГОСТ Р 53843-2010 поршневые кольца могут изготавливаться из стали наряду с чугуном.
В качестве материала используют хромистые мартенситные и пружинные стали. По сравнению с чугуном сталь даёт более тонкое кольцо при равной прочности (что снижает массу и инерционные нагрузки), стабильно сохраняет упругость при высоких температурах и допускает большее число циклов сжатия без релаксации напряжений. У стали практически нет «графитного» самосмазывания, поэтому стальные кольца почти всегда применяют с упрочняющими и антифрикционными покрытиями.
Составные маслосъёмные кольца — отдельный класс: они состоят из двух стальных дисков и расширителя (стальной пружины), действующей в радиальном направлении, и применяются преимущественно в современных бензиновых двигателях.
Покрытия наносят на рабочую (наружную) поверхность кольца для повышения износостойкости, защиты от задиров, улучшения приработки и снижения трения. На практике применяются несколько групп покрытий.
В современных двигателях покрытие подбирают под конкретный материал кольца, материал гильзы (чугунная гильза, гильза с плазменно-напылённым или гальваническим износостойким покрытием зеркала цилиндра) и режим работы. На одном кольце может быть несколько слоёв — например, фосфатирование поверх рабочего хромового или молибденового слоя.
Действующий ГОСТ Р 53843-2010 нормирует механические свойства готовых поршневых колец для двигателей автотранспортных средств следующим образом.
Близкие значения по чугунам приведены в ГОСТ 621-87 для колец двигателей внутреннего сгорания общего применения: 94…112 HRB для серого чугуна и 98…112 HRB для высокопрочного, с повышенными требованиями к кольцам двигателей автомобилей, мотоциклов и мопедов.
Упругость (значение «силы упругости» при сведении кольца до рабочего зазора) и условный модуль упругости материала колец задаются в конструкторской документации на конкретный типоразмер кольца. Минимальные значения упругости прямоугольных, конических компрессионных и маслосъёмных колец установлены в ГОСТ Р 53843-2010 по типоразмерам.
На практике материал и покрытие кольца выбирают сочетанно — под назначение кольца в комплекте (первое компрессионное, второе компрессионное, маслосъёмное) и под класс двигателя.
Чем форсированнее двигатель и выше удельные тепловые и газовые нагрузки, тем больше доля стальных колец и тем сложнее их покрытия. В массовом сегменте серый чугун с пластинчатым графитом остаётся практичным выбором благодаря дешевизне литья, хорошей приработке и удовлетворительной износостойкости.
Для чугунных колец основной технологией остаётся литьё заготовок с последующей механической обработкой и нанесением покрытий.
Для стальных колец заготовкой обычно служит холоднокатаная лента или проволока требуемого профиля; кольцо формируется навивкой или прокаткой, термически обрабатывается до требуемой твёрдости и далее проходит те же стадии нанесения покрытий и контроля.
Основные материалы — серый низколегированный чугун с пластинчатым графитом и высокопрочный чугун с шаровидным графитом (часто легированный хромом, никелем, молибденом, медью, марганцем), а также конструкционная (хромистая мартенситная и пружинная) сталь. На рабочую поверхность наносят покрытия: твёрдый или пористый хром, молибденовое напыление, нитрид хрома (PVD), фосфатные плёнки приработки.
Графитовые включения в чугуне работают как естественный «сухой» смазочный материал, благодаря чему чугунное кольцо хорошо переносит кратковременные нарушения смазки. Кроме того, литьё чугунных колец дешевле производства стальных, а пластинчатый графит улучшает приработку.
В сером чугуне графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочном — шаровидную (или вермикулярную). Шаровидный графит меньше ослабляет матрицу, поэтому высокопрочный чугун существенно прочнее: минимальный предел прочности при изгибе по ГОСТ Р 53843-2010 — 1080 МПа против 343 МПа у серого низколегированного.
Слой твёрдого хрома резко повышает износостойкость рабочей поверхности и защищает её от задиров. Пористое хромирование дополнительно удерживает масло в порах покрытия, облегчая работу в граничном режиме смазки.
Это слой металлического молибдена, нанесённый газопламенным или плазменным напылением. Молибден стоек к высоким температурам и хорошо защищает рабочую поверхность от прижогов и задиров; применяется на первых компрессионных кольцах, в первую очередь дизельных двигателей.
Нитрид хрома — соединение хрома с азотом, образующее очень твёрдое и износостойкое покрытие. PVD (Physical Vapour Deposition) — вакуумная технология осаждения покрытия из паровой фазы. PVD-покрытие нитридом хрома применяется на стальных кольцах форсированных двигателей.
По ГОСТ Р 53843-2010 готовое кольцо имеет твёрдость 96…112 HRB (217…375 НВ) для серого низколегированного чугуна, 100…112 HRB (241…375 НВ) для высокопрочного чугуна и 40…50 HRC (70,5…76,0 HRA) для стали.
Общие технические условия на чугунные кольца ДВС — ГОСТ 621-87 (соответствует ИСО 6621/3-83). Технические требования и методы испытаний колец двигателей автотранспортных средств — ГОСТ Р 53843-2010.
Для верхнего компрессионного кольца такого двигателя — как правило, нет: чугун с пластинчатым графитом не обеспечивает требуемой упругости и прочности при высоких температурах. В таких двигателях верхнее кольцо чаще выполняют из стали с PVD-покрытием или из высокопрочного легированного чугуна с молибденовым напылением.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.