凯发国际 如何獲得鑄鐵活塞環優質金相組織

[摘要] 影響鑄鐵金相組織的因素很多，但較主要的是化學成份、冷卻速度、孕育劑及孕育處理工藝等要素。本文僅就如何選擇與控制化學成份、冷卻速度、孕育劑及孕育處理工藝等方面來闡述獲得鑄鐵活塞環優質金相組織的方法。
 1 前言
 眾所周知，活塞環是發動機的關鍵零件之一，它處于高溫、高壓、高速狀態下工作。要求它具有良好的力學性能及物理性能，以確保其使用性及安全可靠性。為此，對其金相組織提出了特殊而嚴格的要求：石墨為星形，中細片狀或菊花狀，分布均勻并具有適當的隔離度，工作面的過冷石墨是不得超過金相試樣視場面積的35％，其E型石墨不允許超過視場面積的5％；基體組織應為索氏體型珠光體或細片狀珠光體(珠光體片間距應≤O.6mm)或針狀組織，不允許有粒狀珠光體、游離滲碳體及萊氏體，工作面內的游離鐵素體量不允許超過金相試樣視場面積的3％；磷共晶應為單個細小塊或呈細小繼續網狀，分布均勻，其網孔較大兩孔直徑不允許大于O.30mm，不允有嚴重枝晶狀和嚴重聚條狀磷共晶。單個磷共晶的較大面積應小于1000mm2，其較大鏈長據成品環的斷面系數來定一般為150mm左右。允許有一小塊磷共品復合物存在，但其中的碳化物的較大長度不允超過30mm，其面積總和不允許超過300mm2。影響鑄鐵活塞環金相組織的因素很多，筆者認為其中較主要的是化學成份、冷卻速度、孕育劑與孕育處理工藝等，本文力圖從這幾方面闡述獲得鑄鐵單體鑄造活塞環段優質金相組織的方法。
  2 化學成份對鑄鐵金相組織的影響
 在一般情況下，當鑄件的壁厚一定時，化學成份對鑄鐵金相組織起著決定性的作用。不同的元素對鑄鐵的石墨與基體組織的影響也不同，有些元素能溶于α和γ鐵中減低了碳在鐵中的溶解度，促使石墨析出，而另一些元素與其它元素化合成化合物作為石墨結晶核心促進石墨化，還有些元素是石墨化的。有些元素可強化基體，使鑄鐵的力學性能與物理性能提高，而有一些元素促進鑄鐵的鐵素體或磷共晶含量增加，使其力學性能與物理性能下降。為獲得鑄鐵優良的金相組織，建議用優先法設計出理想的優化成份并嚴加控制。
  2.1 碳與硅
  硅能把共晶和共析點移向溫度較高及碳量較低的位置，提高共晶與共析溫度，降低碳在液相和固溶體中的溶解度。當含碳量一定時，含硅量高的鑄鐵更趨向于共晶，因此硅是促進石墨化元素，當硅量小于3.5％時是極強的石墨化劑，隨其含量增加而減弱，當含硅量增至10％時鑄鐵就全為白口。碳也是石墨化元素，隨著含碳量的增加，碳以自由狀態析出的過程更便于進行，這是因為碳原子的增加增強了碳原子間的結合力，形成大量的石墨核心促進石墨化。
 合金鑄鐵環，是一種高碳高硅的多元素合金鑄鐵，其碳硅含量依據活塞環的斷面數大小而定，一般碳含量在3.65%～4.00％，硅含量在2.60%～3.00％之間，碳硅含量太高或太低都是不適宜的。當碳硅含量過高時石墨粗化而易形成偏析；使其分布不均勻，石墨量太多，石墨長度及鐵索體含量可能超標；當碳硅含量太低時又可能造成過冷石墨含量超標或產生游離滲碳體。鑄鐵活塞環不但要控制含碳硅的多少，而且還應控制碳與硅的比例。
  2.2 錳與硫
  錳是中等碳化物元素，其含量小于1.5％時反石墨化能力較弱。錳在鑄鐵中還起著特別有利的作用，錳與硫化鐵之間能發生可逆反應： FeS+Mn≒MnS+Fe,MnS
  一部分上浮為渣，另一小部分作為石墨核心，促進石墨化。一定量的錳還可改善鑄鐵的基體組織，提高鑄鐵的物理性能和力學性能。經典理論認為硫在鋼鐵中是有害元素。但筆者在實踐中發現鑄鐵中含一定量的硫，對提高孕育效果是有益的，特別是用含鍶硅鐵作孕育劑效果更明顯。由于鑄鐵熔煉設備與工藝的改進，鑄鐵熔煉過程中增硫的可能性極小。當原生鐵中含硫量太低，用工頻感應電爐熔煉時，在熔煉過程中可適當添加些硫元素，以提高孕育效果。活塞環鑄鐵中的含硫量控制在O.10％左右是適宜的，不會有不良影響。

   2.3 磷
     磷在液態鑄鐵中，能使共晶點向溫度較高和含碳量較低的方向移動，同時降低共晶轉變溫度與液相線溫度，提高鐵水的流動性，增強填充能力。在固態鑄鐵中磷的溶解度是有限的，隨著其含碳量與溫度的降低而減少，當磷超過溶解度時，就會形成三元磷共晶。在活塞環鑄鐵中必須含有適量的磷，以提高鐵水的流動性和形成高硬度的二元磷共晶使其具備良好的耐磨性能。活塞環鑄鐵的含磷 量一般在O.30％～0.50%之間。含磷太低時，鐵水流動性差，而二元磷共晶含量少耐磨性差；含磷太高時又會形成三元磷共晶或量多塊度大的磷共晶復合物，使零件脆強度低容易斷裂。
 2.4 鎢、釩、鉻、鉬
  它們在鑄鐵中有極小的溶解度，也能與滲碳體形成固溶體，它們與碳的化合能力遠大于與鐵的化合力，隨著含量增加可形成特殊碳化物，如Mo、c、WC、VC等或形成穩固的滲碳體的固溶體，如(Cr,Fe)7C3等，它們促使碳成化合狀態存在，強烈地反石墨化。當鑄鐵中含鎢釩鉻鉬量較少時，使鑄鐵的珠光體組織呈細致的索氏體狀，鑄鐵的致密度增加強度提高。活塞環鑄鐵中一般含W在0.35％～O.50％、V在0.15％～0.30％、鉻Cr在O.15％～0.40％、Mo在0.15％～O.40％之間即可起合金化作用，既能強化基體又不會產生阻礙石墨析出的現象。
      2.5 鎳、銅、鈷
 這些元素能溶于鑄鐵的液態和固態中，與鐵形成置換固溶體，減低Fe和C的結合力，促使Fe3C分解，促進石墨化，但石墨化能力比Si弱得多。這些元素在鑄鐵中一般很少單獨應用，都是與其它元素配合使用，以促進鑄鐵的石墨化并強化基體，獲得細密的珠光體組織從而提高了鑄鐵的力學性能與物理性能。到目前為止Ni、Co用于活塞環鑄鐵的還不多，Cu與Cr、Mo及V、Ti配合用于制造簡體和單體鑄造活塞環的生產都有。
  2.6 確定鑄鐵活塞環化學成份的原則
  鑄鐵活塞環的種類很多，有普通鑄鐵環、合金灰鑄鐵(低合金、中合金、高合金)環、可鍛鑄鐵環、半可鍛鑄鐵環、球墨鑄鐵環等。這些鑄鐵材料除可鍛與半可鍛鑄鐵環外，其它幾乎都是高碳高硅多元素合金鑄鐵。活塞環鑄鐵化學成份確定的主要原則是：根據發動機性能、用戶的具體要求、成品環的斷面系數大小、原材料來源難易程度及價格、鑄造及熱處理工藝方法等來確定，以保證生產出力學性能與物性能都優良的活塞環。
  3 冷卻速度對鑄鐵金相組織的影響
  鑄鐵液在結晶期間，冷卻速度對鑄鐵組織具有極大的影響、變化冷卻速度可以在較大的范圍內獲得各種組織。當化學成份相同時，采用不同的冷卻速度就可以獲得不同的金相組織。鑄鐵在鑄型中的冷卻速度主要受澆注溫度、熱力學常數、鑄件壁厚的影響。
  3．1 澆注溫度
  當鑄鐵液的化學成份、過熱及保溫時間一定時，適當地提高澆注溫度可使鑄型的溫度相應提高，鑄件的冷卻速度也相應地下降，在一定程度上促進了石墨化。
 3．2 熱力學常數
  鑄件澆注后在砂型中的冷卻速度可用下式表示：
  dt/dτ=α/Rdc(t澆-t型)
 式中：t澆—t型為澆注溫度與砂型的平均溫度之差；
 α為鑄型(砂型)的散熱系數，單位是卡／厘米2·秒·攝氏度；
 d為金屬的密度，單位是克／厘米2；
 C為金屬的熱容量，單位是卡／克·攝氏度；
  R為鑄件的換算厚度，單位是厘米。

 從上式可知鑄件的冷卻速度與金屬和鑄型的溫度差有關，與鑄件的換算厚度成反比，與鑄型的散熱系數成正比。活塞環是一種結構簡單、重量輕、換算厚度小的鑄件，一般采用潮砂型疊箱單體鑄造，需用較高的澆注溫度，才能獲得完整輪廓清晰的鑄件，因此冷卻速度是比較大的。提高鑄型的平均溫度與降低鑄型的散熱系數，是控制活塞環鑄件冷卻速度的關鍵。
 3.3 鑄件壁厚
  鑄件壁厚是決定鑄件冷卻速度的重要因素。當鑄件壁厚大時，其冷卻速度就慢，壁厚薄時，其冷卻速度就快。因此根據鑄件壁厚來選擇適當的化學成份與澆注溫度，是獲得優良金相組織的又一設計原則。
  從上述討論中可知，只要澆注溫度、熱力學常數、鑄件壁厚一定時，冷卻速度的變化不會很大，鑄件的金相組織是比較穩定的。就活塞環而言，某一機型的活塞環，其厚度是一定的。澆注溫度是可以嚴格控制的。造型材料與型砂的含水量，金屬材料等都有固定的技術要求，只要嚴加管理與控制，熱力學常數的變化也不會太大，冷卻速度應是比較穩定的，不會對金相組織造成大的影響。
  4 孕育劑與孕育的處理
 在鑄鐵液中加入適量的孕育劑，增加鐵液中的結晶核心。減少過冷度，細化組織，改善石墨形態及分布，防止產生大量的過冷石墨和麻口組織，阻止石墨粗化，抑制游離鐵素的析出及磷共晶粗化與偏析，從而改善和提高鑄鐵的力學性能和物理性能。原鐵水中的含硫量及所加孕育劑的種類、化學成份、粒度、加入量、加入方法等都與孕育效果有密切的關系。
  4.1 孕育劑
 孕育劑的種類很多，各類的作用與效果也各異，主要有促進石墨化和強化基體兩大類。我廠采用的是含鍶硅鐵，它具有消除白口能力強、能改善石墨組織、收縮敏感性小等特點。其主要化學成份：73％～78％Si、O.6％～1.O％Sr、

  根據澆包容量及澆注溫度確定孕育劑的粒度大小；當用35kg澆包，澆注溫度為1380℃左右時，孕育劑的粒度為1mm～6mm是適宜的。
     根據鑄件的壁厚或鑄件的斷面系數大小以及鐵中含硅、硫量的情況確定孕育劑加入量。活塞環鑄鐵孕育劑加入量一般為0.3％～0.5％，加入量太少或過量都是不宜的。
  4.2 孕育處理
 孕育處理是獲得優質金相組織的重要手段，其方法很多，以既保證孕育效果又便于操作為原則。如果用工頻爐熔煉活塞環鑄鐵，在出鐵水前應把爐內漂浮的溶渣除盡后加入適量的覆蓋劑，出鐵水時將孕育劑隨鐵水流沖入澆包內。經多年的實踐證明此法是可行的。
  5 結論
  5.1 當鑄件的斷面系數一定時，鑄鐵的化學成份是影響金相組織的主要因素。當石墨化元素太低或碳化物合金元素太高時，會產生過冷石墨和游離滲碳體；當石墨化元素太高或碳化物元素太低時，珠光體片間距大，石墨粗化。在生產過程中應根據活塞環斷面系數大小、設計合理的化學成份并嚴格控制。
 5.2 冷卻速度對活塞環的金相組織有一定的影響，只有在生產過程中嚴格控制澆注溫度、原材料的質量及型砂的含水量與有關性能，才能得到優良的金相組織。
 5.3孕育劑好壞與孕育方法正確不正確是影響活塞環金相組織的關鍵因素。精心選擇品種好與質量優的孕育劑；嚴格控制孕育劑加入量與孕育處理工藝，是獲得優質金相組織的重要措施之一。本文由 青島拋丸機 生產廠家青島淳九整理

淳九以生產鑄造用的垂直分型無箱射壓造型線和拋丸機而聞名于世，它從1964年出售第一臺這種造型機以來，在短短的10多年發展很快，截至1988年就向全世界出售了700多條。我國1967年引進了2011型，使用良好。