Com a "guardians del cor" d'un motor de combustió interna, els segments de pistó de ferro colat duen a terme una missió de segellat crucial en condicions extremes d'alta temperatura, alta pressió i alta velocitat. Treballant en coordinació precisa amb el cilindre i el pistó, garanteixen el funcionament eficient i estable del motor. A causa del seu excel·lent rendiment general, els segments de pistó de ferro colat s'han convertit en el tipus més utilitzat.
I. Funcions principals: segellat, control d'oli, conducció de calor i suport
Els segments de pistó de ferro colat tenen quatre funcions clau indispensables en un motor:
- Funció de segellat (tasca principal):
- Evita eficaçment que els gasos a alta temperatura i alta pressió de la cambra de combustió s'escapin al càrter, minimitzant les fuites de gas al mínim absolut.
- Estadificació de la pressióEl primer anell de compressió suporta aproximadament el 76% de la pressió del gas, aquesta baixa fins al 20% al segon anell i només en queda aproximadament un 4% al tercer anell, creant un segellat "pas a pas" eficient.
- Funció de control d'oli:
- L'anell d'oli és responsable de raspar amb precisió l'excés d'oli lubricant de la paret del cilindre, deixant alhora una pel·lícula d'oli ultrafina per garantir una lubricació adequada i controlar el consum d'oli. Aquest rendiment és fonamental en els motors moderns d'alta velocitat.
- Funció de conducció de calor:
- Entre el 70 i el 80% de la calor de la corona del pistó es transfereix a través dels segments del pistó a les parets del cilindre per a la seva dissipació. Això és vital per mantenir el conjunt del pistó a una temperatura de funcionament adequada i evitar danys per sobreescalfament.
- Funció de suport:
- Evita el contacte directe entre el pistó i la paret del cilindre, garantint un moviment suau del pistó, reduint la fricció i evitant el "xoc del pistó".
II. Propietats excepcionals del material de ferro colat
La fosa és el material ideal per als segments de pistó a causa de la perfecta adaptació de les seves propietats úniques amb els requisits exigents del motor:
- AutolubricacióEl grafit de la fosa actua com un lubricant sòlid natural, absorbint l'oli lubricant i proporcionant propietats autolubricants superiors en condicions de lubricació límit.
- Excel·lents propietats mecàniquesUn mòdul d'elasticitat elevat, una deformació permanent baixa, la resistència a la fatiga per flexió necessària i una duresa adequada compleixen els requisits de rendiment d'un component elàstic.
- Tipus de materials:
- Ferro colat grisEl material bàsic, normalment compost de carboni 3,1-3,5%, silici 1,6-2,1%, manganès 0,6-1,0%, amb petites quantitats d'elements d'aliatge com el crom i el coure.
- Ferro colat aliatL'addició d'elements com el coure, el crom i el molibdè proporciona una millor resistència a la calor, al desgast i a la corrosió.
- Ferro colat dúctilPresenta una resistència a la flexió (80-120 kg/mm²) i un mòdul elàstic (15.000-17.000 kg/mm) molt més elevats que el ferro colat ordinari, oferint una forta resistència a l'impacte.
III. Processos de fabricació i tractaments superficials
Els processos de fabricació precisos són clau per al rendiment dels segments de pistó:
- Processos de fosa:
- Els principals mètodes inclouen la fosa d'una sola peça, la fosa de barril i la fosa el·líptica dividida avançada (per exemple, el procés alemany de Goetze), aquest últim eliminant eficaçment els defectes de contracció del nucli a la peça en brut.
- Tecnologies clau de tractament de superfícies:
- Revestiment de cromAlta duresa (700-1000 HV), baix coeficient de fricció, alta resistència a la corrosió; pot allargar la vida útil de l'anell superior de 3 a 5 vegades.
- Recobriment de molibdè (recobriment de molibdè)El molibdè té un punt de fusió elevat (2620 °C), una duresa elevada (HV > 700), un coeficient de fricció baix, una bona conductivitat tèrmica, resistència al desgast i estabilitat tèrmica.
- FosfatacióEl recobriment de fosfat té bones propietats de retenció d'oli, beneficioses per al rodatge inicial i una forta prevenció de l'òxid.
- NitruracióForma una capa de nitrur dur a la superfície, amb una resistència al desgast que supera el cromatge; un procés alternatiu més respectuós amb el medi ambient (per exemple, nitruració de gas, nitruració de plasma, nitruració en bany de sal QPQ).
IV. Principals tipus i característiques estructurals
Segons l'estructura i la funció, els segments de pistó es divideixen principalment en segments de compressió i segments d'oli:
- Tipus d'anells de compressió:
- Anell rectangular (llis)Estructura simple, bona per a la dissipació de calor, però pot provocar un "bombat d'oli".
- Anell de cara cònicaContacte lineal, bo per segellar i rodar, raspa l'oli cap avall i el distribueix cap amunt.
- Anell de torsió torsionalCombina els avantatges de l'anell cònic i elimina el bombament d'oli. La direcció d'instal·lació és fonamental.
- Anell trapezoïdal (keystone)Bones propietats antiadherents i de segellat, adequades per a motors dièsel d'alta càrrega tèrmica.
- Anell de la cara del barrilForma una falca d'oli durant les curses de pujada i baixada, reduint el desgast.
- Tipus d'anells d'oli:
- Anell d'oli de ferro colat (peça única): Estructura senzilla.
- Anell d'oli de carril d'acer (segment)Compost per dos rails d'acer cromats i un separador expansor. Alta pressió de contacte, bona conformabilitat, grans conductes de retorn d'oli i excel·lent rendiment de raspat d'oli. Àmpliament utilitzat.
V. Punts clau d'instal·lació i manteniment
Una instal·lació i un manteniment correctes són crucials per garantir el rendiment i la longevitat:
- Tres autoritzacions clau:
- Espai final (espai al cul)Normalment 0,25-0,50 mm.
- Joc lateral (joc axial a la ranura)Per a l'anell superior (a causa de l'alta temperatura), normalment 0,04-0,10 mm.
- Folga posterior (folga radial entre l'anell i la part inferior de la ranura)Normalment 0,50-1,0 mm.
- Pautes d'instal·lació del nucli:
- Els espais dels extrems dels anells s'han d'esglaonar al voltant de la circumferència (per exemple, 120° de separació per a tres anells) per crear un segellat "laberint".
- L'anell cromat està instal·lat a la ranura superior.La cara cònica d'un anell cònic ha d'anar cap amunt; el bisell o l'osca interior d'un anell de torsió normalment està mirant cap amunt.
- Els espais no han d'estar alineats amb el forat del passador del pistó ni amb la direcció de depressió del vòrtex del pistó.
- Inspecció de manteniment:
- Les superfícies de treball han d'estar lliures de marques, ratllades o descamació.
- La desviació de la curvatura no ha de superar els 0,02-0,04 mm.
- El límit de desgast estàndard (enfonsament a la ranura) no ha de superar els 0,15-0,25 mm.
Conclusió
El rendiment dels segments de pistó de ferro colat determina directament l'eficiència, la vida útil i la fiabilitat d'un motor. Amb els avenços continus en la ciència dels materials i la tecnologia de fabricació, els segments de pistó de ferro colat continuaran proporcionant una protecció robusta per a diverses maquinàries de potència en condicions de funcionament extremes, salvaguardant el fort "batec" del motor.
Data de publicació: 23 d'octubre de 2025