ATG活塞环技术介绍
真空镀膜涂层活塞环用途
真空镀膜涂层活塞环用途真空镀膜涂层是一种特殊的表面处理技术，常被应用于各种工业领域中，包括汽车制造、航空航天、电子、医疗设备等。
而在这些领域中，活塞环是使用这种技术的主要应用之一。
活塞环是发动机中的重要部件，直接影响着发动机的性能和寿命。
活塞环位于活塞上，防止气体泄露和润滑油进入燃烧室。
常见的活塞环材质有铸铁、钢、陶瓷等。
然而，这些材质往往不能满足现代发动机对性能和耐磨性的要求。
通过使用真空镀膜涂层技术，活塞环的性能可以得到显著提升。
活塞环经过镀膜后，可以增加其耐磨性、硬度、抗腐蚀性和润滑性能，同时减少与气缸壁的摩擦和磨损，提高发动机的效率和寿命。
以下是一些真空镀膜涂层活塞环的主要用途：1. 提高耐磨性和硬度：真空镀膜涂层能够增加活塞环的硬度和抗磨损能力，从而降低与气缸壁的摩擦和磨损。
这极大地延长了活塞环的使用寿命，减少了维修和更换的频率，提高了发动机的可靠性和经济性。
2. 提高润滑性能：真空镀膜涂层能够形成一个光滑的表面，减少活塞环与气缸壁之间的摩擦，改善活塞环在运动过程中的润滑性能。
这降低了能量损失和热量，提高了发动机的效率和燃油经济性。
3. 提高抗腐蚀性：真空镀膜涂层能够形成一个抗腐蚀的屏障，减少活塞环与燃烧室内高温和腐蚀介质的接触。
这提高了活塞环的稳定性和耐久性，延长了其使用寿命。
4. 提高尺寸精度：真空镀膜涂层技术具有较高的精度和均匀性，能够使活塞环表面形成非常薄而均匀的涂层。
这提高了活塞环的尺寸精度，减少了运动阻力和噪音，提高了发动机的运行平稳性和驾驶舒适性。
除了以上的主要用途外，真空镀膜涂层活塞环还具有其他一些优势，例如降低活塞环的摩擦系数、减少活塞环与气缸壁之间的间隙、提高活塞环的导热性能等。
这些优势使得真空镀膜涂层活塞环在现代发动机中得到广泛应用，成为改善发动机性能和提高可靠性的重要技术手段之一。
总之，真空镀膜涂层活塞环的用途主要是通过提高活塞环的耐磨性、硬度、抗腐蚀性和润滑性能，减少与气缸壁的摩擦和磨损，从而提高发动机的效率和寿命。
活塞环
活塞环PISTON概述：活塞环在发动机（和空压机）中有三大作用，将燃烧和曲轴箱密封，将活塞上的热量传到汽缸壁上，以及控制机油消耗。
为了产生有效的密封，活塞环既要与汽缸壁贴和良好，又要与活塞环槽的上或下平面贴和良好。
径向贴和能力由活塞环本身的弹力与作用在环背的工质压力产生。
在发动机里面公质当然是燃气。
活塞环在其环槽中的轴向位置主要有气体压力和惯性力决定，亦在环槽上下平面之间往复运动。
在很多场合下活塞环亦用作转动轴的金属密封件。
General: Piston rings in and compressors have three main functions: to seal the working chamber from the crankcase, to assist in the flow of heal from piston to cylinder wall and to control oil consumption.In order to achieve efficient sealing the piston ring should make a good fit with both the cylinder wall and either the top or bottom of the piston groove. The radial fit is achieved by the inherent spring force of the ring together with the pressure of the working medium acting from behind the ring . In the case of an engine this working medium is of course the combustion gas. The axial position of the ring within its groove is determined mainly by gas pressure and inertia forces and altermates between the top and bottom of the groove.Piston rings are also used in increasing numbers as metallic seals for rotating shafts.活塞环介绍Introduction to piston rings引擎工作原理：发动机四冲程是指：1（1）进气（2）压缩（3）作功（4）排气活塞环组件：一道环→第一道气环工作环境最为恶劣，高温高压，第一道气环的主要功能是密封气体和带走热量。
活塞环基本功能(1)
图2.10顶环高h1（对漏气）的影响。
图2.11环变化的测定结果
图2.12闭口间隙s1对漏气的影响
图2.13开口倒角量对漏气的影响图2.14闭口形状与漏气量
（5）环的扭曲量与漏气
图2.16顶环内倒角的效果
图2.15为扭曲环设计效果，扭曲环下侧面棱边完全压在活塞环槽面上，减少了漏气量。图2.16顶环内圆倒角效果，最近高速发动机在6000转/分以上，随转速升高漏气量加大，其中扭曲环在6000转/分以下时比非扭曲（一道环）的漏气量高；在6000转/分以上时漏气量反而低，内切扭曲环蝶形角增大，漏气量减少。
Dg2=（G12–G23）dt
G =
但是F =
F =2.145(m /s)………………临界压力比（pc/p1=0.528）以下
△P2= △t
B= △t
图2.8环片数对漏气的图2.9发动机转速对漏气的影响
影响实验与计算的比较
从图2.8、图2.9可知随环数的增加、转速的增加漏气量减少
（3）环的尺寸与漏气量
NOX
0.79g/km（（10.15モ-ド
平成元年
0.4g/km
新型车号平成6年12月1号
继续生产的车平成7年11月1号
进口车平成8年4月1号
重量车（车重＞2.5t）
5.5g/kmh
平成4年
4.5g/km
新型车号平成立7年12月1号
继续生产的车平成8年11月1号
进口车平成9年4月1号
说明；モ-ド：出现频率的最大值；平成元年即1988年、平成5年即1992年，平成9年即1996年
平成元年
6.0g/km/h
ATG 活 塞 环 介绍
significant improvement of scuff resistance （compared to conventional chrome and nitriding)
●● ●Biblioteka 在持续低排放下保持发动机的长寿命 在现代柴油发动机市场站主导地位
long engine life at constant low emission levels major market share in modern diesel engines
氢分子 H2 氨分子 NH3
钢 质 环
渗入的N元素 氮化层
○●○○ 氨的分解：
2NH3
2[ N ]+6[ H ]
分解出的氮处于原子状态，具有较大的活性，大部分被钢表面吸收，部分结合成氮分子； 吸收： 氮原子被钢表面吸附后，形成含氮量较高的铁素体；
扩散：
氮原子由钢表面向内扩散，生成含氮化合物，形成一定厚度的氮化层。
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（2）抗拉缸性能 在一道环的上死点附近，由于润滑油的供给不足，造成 临界润滑，在燃烧气体的高温之下，由于燃烧气体的背压、 滑动面压力作用等原因，使油膜破裂，处在一种极其差的滑 动状态下。因此，在环和缸套之间发生金属接触，会造成磨 耗量的增加、发生拉缸等不良现象。正是由于这一点，对于 一道环的滑动面来讲，要求具有很高的耐磨性的同时，还要 求要具备很高的抗拉缸性能 。为了适应这些要求，如前所 叙，要对活塞环采用各种表面处理。 一般来说与钢相比较，铸铁的耐拉缸性比较优良，这是 因为在铸铁组织中石墨的大量存在所带来的影响。也就是由 于石墨自身的润滑性、石墨的储油性带来的效果，因此,即 使在润滑油供给不足的情况下，在一定程度上也能够维持自 身的润滑性。
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什么是活塞环，看完这一条就够了！
什么是活塞环，看完这一条就够了！发动机的活塞是发动机中的主要配件之一，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。
活塞环(Piston Ring) 是用于崁入活塞槽沟内部的金属环，活塞环分为两种：压缩环和机油环。
压缩环可用来密封燃烧室内的可燃混合气体；机油环则用来刮除汽缸上多余的机油。
活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。
往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封。
活塞运动细节图四冲程发动机工作动图活塞结构一般活塞都是圆柱形体，根据不同发动机的工作条件和要求，活塞本身的构造有各种各样，一般将活塞分为顶部、头部和裙部三个部分。
活塞结构图活塞顶部是组成燃烧室的主要部分，其形状与所选用的燃烧室形式有关。
汽油机多采用平顶活塞，其优点是吸热面积小。
柴油机活塞顶部常常有各种各样的凹坑，其具体形状、位置和大小都必须与柴油机的混合气形成与燃烧的要求相适应。
活塞头部是指活塞顶端和环槽部分，由活塞顶至最下面一道活塞环槽之间的部分称为活塞头部其作用是承受气体压力，防止漏气.将热量通过活塞环传给汽缸壁。
活塞头部切有若干环槽，用以安置活塞环。
汽油机活塞顶多采用平顶或凹顶，以便使燃烧室结构紧凑。
活塞裙部是指活塞环槽以下的所有部分称为活塞裙，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。
FM活塞结构详解内燃机活塞分类1. 按使用的燃料来分，可分为汽油机活塞、柴油机活塞、天燃气活塞。
2. 按制造活塞的材料来分，可分为铸铁活塞、钢活塞、铝合金活塞及组合活塞。
3. 按制造活塞毛坯的工艺来分，可分为重力铸造活塞、挤压铸造活塞、锻造活塞。
4. 按活塞的工作状况来分，可分为非增压活塞和增压活塞两大类。
5. 按活塞的用途来分，可分为轿车活塞、卡车活塞、摩托车活塞、船用活塞、坦克活塞、拖拉机活塞等。
活塞环基本知识
活塞环基本知识活塞环是发动机的重要零件之一。
活塞环分为气环和油环两种。
活塞环的作用：密封气体；均匀分布气缸壁上的润滑油，并防止润滑油窜入燃烧室；导出活塞上的热量；支承活塞，防止活塞直接与气缸壁接触。
活塞环工作的好坏直接影响发动机的性能、工作可能性和使用寿命。
1 活塞环的作用1.1气环的作用气环起密封气体及导热的作用，其本身具有一定弹力。
将环压在缸壁上。
当发动机工作时，高压气体进入环槽，一方面将环压紧在环槽上，另一方面环背将更紧密地压在缸壁上起到更好的密封作用。
当气体通过第一道环隙窜入第二道时，压力已大大降低。
而且第二道环漏泄的气体极少。
为了进一步减少摩擦损失，有的发动机只采用一道气环。
第二道气环密封任务较轻，而且工作条件较一道好些。
为了避免机油窜入燃烧室，所以要求第二道气环除密封气体外，还有一定的刮油作用。
1.2 油环的作用油环的作用是将一定的润滑油均匀分布在缸壁上，防止润滑油窜入燃烧室并保证活塞环和缸壁的润滑。
油环要刮下缸壁上多余的油,须较大的径向力将环压在缸壁上。
由于环背没有气体压力的帮助，故环本身要具有较大的弹力及较小的接触面积，同时刮下的润滑油要能顺利地流回油底壳，所以油环槽背设有回油孔或切口。
2 活塞环的结构分析2.1活塞环各部分名称，如图1所示。
2.2切口形式活塞环切口基本上有3种形式：直切口、斜切口和梯形切口，如图2所示。
其中用得最普遍的是直切口。
二行程发动机为防止环切口与缸壁上的气口相碰，在切口处用销钉档住，不让环在环槽内转动，如图3所示。
2.3 常用气环断面形状气环断面形状如图4所示。
矩形环：断面呈矩形，制造简单，广泛采用。
锥形环：将工作面制成小锥度以提高表面接触压力，有利于是磨合密封，并有一定的刮油作用。
锥形环用肉眼不一定能看出锥角，所以一定要做标记，不能装反。
正确安装应是正锥形，其锥顶向上。
图4 常用活塞环的断面形状a)矩形环b)锥面环c)桶面环d)内切槽环e)下切槽环f)内伞环 g)双面梯形环h)单面梯形(楔形环)扭曲环：凡环内外切角、切槽均是扭曲环。
活塞环工艺介绍
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• PVD （物理气相沉积）技术
解决了活塞环在使用中的冒烟、串油、不耐磨等一系列问题，大大提高 了活塞环的综合机械性能和寿命。
基本原理：钛、铬等金属蒸发源，通过电弧放电，形成汽化离子，和N2、 O2反应，在活塞环目标源上凝固沉积生成TiN、CrN[O]、CrN等陶瓷薄膜， 逐渐达到成膜的目的。TiN由于其膜层硬度极高，耐磨。
活 塞 环 加 工 工 艺 流 程 1
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活 塞 环 加 工 工 艺 流 程
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镀铬铸铁环
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举例说明：
下面以某公司生产的第二道活塞环为例进行具体说明活塞环加工工艺
截面形状描述：
合金铸铁材质磷化矩形锥面
截面形状图 θ
工艺路线描述：
毛坯铸造→双体磨削→割片→粗磨侧面→调质处理→粗磨侧面→ 校平→中磨侧面→精磨侧面→清洗脱脂→中间检查→内外仿形→ 切向扩口→修口及去开口毛刺→精磨侧面→清洗脱脂→涂色标→ 理环→成形车外圆→理环→修口去开口毛刺→去内圆毛刺→磷化 →精磨侧面→确认珩磨→清洗脱脂→理环→喷色标→中间检查→ 脱磁→磷化→理环→激光打标→终检→上油→包装
活塞环简介
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一、活塞环在发动机中的功能
作为高温高压工况下的运动件，随着活塞的往复运动，内燃机活塞环主要作用表
现为：防止燃烧室内高温高压气体下窜至曲轴箱、将活塞和燃烧室的热量传导至汽
缸壁、控制机油的消耗量以及在活塞换向时防止活塞头部撞击气缸（如图一所示）；
活塞环在随活塞做上下往复运动的同时，还会自身做周向运动以更好地适应缸套及
11、修口：采用活塞环专用修口机通过CBN砂轮对活塞环两开口端面进行磨削加 工，目的是减少仿形开口机的加工偏差，同时消除后序的成形车外圆装夹时 的两侧开口端面抵头的现象，同时去掉开口外棱边的毛刺。
活塞环技术介绍-仪征
活塞环基本功能 活塞环基本功能1
◆.密封
在压缩和膨胀冲程，活 塞环对由上而下的气体起密 封作用，其中第一道环密封 约80-90%的气体，第二道环 密封约10-20%的气体，油环 密封约5%的气体。
活塞环基本功能 活塞环基本功能2
◆.传热
就是将燃烧气体产 生的热量（70-80%）通 过环传给气缸套，降低 活塞工作温度。
重型
中、轻型
乘用车活塞环
上汽K4、KV6 上海比亚迪BYD473QB、BYD483QA 沈阳新光华晨4Y、4G22 吉利4D20、JL479、GL18、JL4G18 菲亚特NJG415、Palio 1.7L 南汽名爵N4、NV6、MG1.4L 神农汽车EW12、EW10A 一汽4DA1 玉柴4W、4Y 云内D19 江淮JAC HFC4DB2 PSA DV6 福特Lynx 1.8L、Puma 2.2L/2.4L………
影响活塞环功能的主要因素包括材料、表面处理、结构形状、机械加工等方面:
材料研发
活塞环材料已形成系列化，已有6个系列，20多种材料。
各类合金铸铁 硼铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 耐热铸铁 不锈钢
YH1系列材料-YH11
相当于K1，GOE12； ISO 6621-3细级别MC13
C: 3.24.0 Si: 2.23.1 Mn: 0.51.0 P: 0.250.60 S: ≤0.15 Cr: ≤0.4 Cu: ≤0.5 硬度：97108 HRB；抗弯强度：≥392 MPa；弹性模数：100±15 GPa 热稳定性（弹力消失率）：300℃×3h，切向弹力最大消失率12%。
CKS
CCC
φ113 φ94.4 φ126 φ93 φ92
Cr
表面处理研发-离子氮化
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特点
无涂层
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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活塞环结构设计--I型钢质油环
铸铁油环 I型钢质油环
●极富柔软性，对缸体具有良好追随性； ●面压均匀，密封性能优良； ATG目前生产范围： ●直径Φ76～Φ150 ●环高1.5～5mm 15 ATG从日本全套引进能加工1.5mm 的I型油环设备为丰田配套 ●高强度，能够实现环高薄型化 ●刮油刃能够制作得很小；
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2013年9月14日
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8.9 闪镀 （Blitzchrome® ） 5-1、SBC®(侧面闪镀)
Standard Process
普通镀铬
BLITZCHROME SBC®闪度
KV 球铁 Steel 钢质
侧面形态 SEM view f of sides
ARN
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2013年9月14日
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活塞环结构设计--LKZ®油环
• 低机油耗 • 减小弹力以降低摩擦功损耗
标准的柱面刮油刃设计 镀铬
刮油刃带锥设计 CKS涂层
ARN
Data classification: Customer Confidential
ATG 活塞环技术介绍
----产品技术部
Data classification: Confidential
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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目录
• 发动机发展需求 • 活塞环新技术介绍 • ATG试验设备
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Data classification: Customer Confidential
CKS/GDC 倒角不加工 0.30 max
CKS/GDC 倒角加工 0.15 max
CKS/GDC “sharp” 半镶嵌
一般
较好
机 油 耗 趋 势
很好
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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活塞环结构设计--Top 压缩环
4 3 3 3 3
3
EU12L 535 hp / EGR
SHale Waihona Puke C ®00100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200
试验时间 [h]
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2013年9月14日
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活塞环结构设计--Top 压缩环
2013年9月14日
2013年9月14日
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5-2、SBC®(侧面闪镀)
•适用全涂层及半镶嵌设计 • 适用 CKS / GDC 环 • 适用钢质及球铁基体
15
SBC®(侧面闪镀)
Surface KV1/KV4
4
Blitzchrome = blue SAE= black KV = green St-Nt = red
4 4.5
ARN
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活塞环结构设计--RABO油环
对于低环高的铸铁环，铣油孔不利于其强度。用钻油孔来取代铣油孔大 大地提高了断裂强度。除此之外，钻孔加工比铣油孔加工对于环端面及工作 面的变形影响要小得多 对早期的油耗产生了积极的影响 面的变形影响要小得多，对早期的油耗产生了积极的影响。
- 尖锐的下棱边倒角 - 外圆不对称桶面
耐久后外圆形貌
Ring Profile Trace new
闭口间隙
- 最小的闭口间 隙及倒角
漏气量
ARN
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2013年9月14日
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活塞环结构设计--2ND 压缩环
耐久+控油
外台镀铬 + 控油性 外台 + 耐久性 镀铬
4
4
外圆面
环侧面磨 磨损 [µm] ]
SAE9254
10
EU13L 200bar/52 0bhp EU12L 45 4.5 230bar/530bhp
3.5 4
EU12L 185bar/455bhp EU16L
4 4 4
St-Nt
EU16L
3
EU12L 500 bhp
3
侧面闪镀
5
4
EU16L 3.5 EU13L 200bar/52 3 0bhp
原理：钛、铬等金属蒸发源，通过 电弧放电，形成气化离子，与N2、 O2结合，在活塞环目标源上凝固沉 积生成TiN、CrN(O)、CrN等镀层
特点 • 复杂的工艺性 • 涂层结构精细 • 应用广泛
适应批量生产
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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低摩擦损失的２片式LKZ控油环
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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ORC涂层油环
¾活塞与活塞环表面照片对比
非ORC ORC
活塞环
活塞
油环环槽处 积碳多
油环环槽处 积碳少
ARN
Data classification: Customer Confidential
11
8.8 PVD涂层
3-2、PVD 涂层
Physical ® Vapor Deposition
● 高耐磨损性能 ● 低粘着磨损性能 ● 低磨粒磨损性能 ● 高耐腐蚀性能
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2013年9月14日
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4-1、DGC®涂层
Ceramic Content
ARN
Data classification: Customer Confidential
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2、GDC® - 涂层
p
Crack network with Substructure
优势 • 较高耐磨性 • 最佳寿命预期 • 针对低机油耗设计方案范围广
KV 球铁
Steel 钢质
闪镀（ Blitzchrome®）特点是： ●其刚性、硬度、抗磨损强度和 加工性与传统铬涂层特性相似; 加 性与传统铬涂层特性相似; ●闪镀铬层非常薄且很均匀。
上图显示压缩环下侧面有 层白色闪镀层 上图显示压缩环下侧面有一层白色闪镀层。
ARN
Data classification: Customer Confidential
从图中可看出 从图中可看出： （a）不对称桶面环在 缸壁上形成的油膜比一 般桶面环要厚 （b）大环高的环在缸 壁上形成的油膜比小环 高的环要厚
油膜厚度（μ）
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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活塞环结构设计--Top 压缩环
DGC涂层：ATG公司新引进技术，相比PVD涂层，摩擦系数更低，硬度更高，涂层厚度更低 DGC涂层特性：高耐磨损性能、高耐腐蚀性能、低摩擦系数、低粘着磨损性能、低磨粒磨损性能
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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4-2、DGC®涂层
2013年9月14日
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二 活塞环新技术介绍 二、活塞环新技术介绍
- 活塞环材料 - 活塞环涂层 - 活塞环结构设计
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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活塞环材料 – 铸铁
标准 弹性模量 （GPa） 抗弯强度 （MPa） Microstructure 金相组织 适用范围 标准灰 铸 铁Grey cast iron 普通灰 铸 铁Grey cast i iron 高强灰 铸 铁Carbidic cast iron 普通球墨 铸 铁Spheroidal graphite 高强球墨 铸 铁Spheroidal graphite
ATG技术追求
■ 减少发动机摩擦
■ 最大限度降低漏气量 大气污染防止 减少尾气排放 燃烧改善 进 步降低机油耗 ■ 更进一步降低机油耗 使用量减少 石油枯竭 燃料多样化 代用燃料 ■ 和缸套匹配磨损性提高 ■ 耐拉缸、耐烧结性提高
ARN
Data classification: Customer Confidential
190
1270 i 1270min.
17铬不锈钢
190
980min.
回火马氏体
压缩环
高合金钢
190
980min.
回火马氏体
压缩环+ 氮化I型钢质油环
碳素钢
低合金钢
高合金钢
ARN
Data classification: Customer Confidential
2013年9月14日
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活塞环表面处理
镀铬 （镀铬 + 特殊珩磨） 气体氮化 喷钼 普通喷钼（MP43） 陶瓷喷钼（MKP81A） 铬、陶瓷复合镀(CKS®) 铬、金钢石复合镀(GDC ) 离子镀（ PVD®）