活塞环优质金相组织
[摘要]影响铸铁金相组织的因素很多，但主要的是化学成份、冷却速度、孕育剂及孕育处理工艺等要素。本文仅就如何选择与控制化学成份、冷却速度、孕育剂及孕育处理工艺等方面来阐述获得铸铁活塞环优越金相组织的方法。
1、前言
众所周知，活塞环是发动机的关键零件之一，它处于高温、高压、高速状态下工作。要求它具有良好的力学性能及物理性能，以确保其使用性及可靠性。为此，对其金相组织提出了特殊而严格的要求：石墨为星形，中细片状或菊花状，分布均匀并具有适当的隔离度，工作面的过冷石墨是不得超过金相试样视场面积的35％，其E型石墨不允许超过视场面积的5％；基体组织应为索氏体型珠光体或细片状珠光体(珠光体片间距应≤O.6mm)或针状组织，不允许有粒状珠光体、游离渗碳体及莱氏体，工作面内的游离铁素体量不允许超过金相试样视场面积的3％；磷共晶应为单个细小块或呈细小继续网状，分布均匀，其网孔很大两孔直径不允许大于O.30mm，不允有严重枝晶状和严重聚条状磷共晶。单个磷共晶的很大面积应小于1000mm2，其很大链长据成品环的断面系数来定一般为150mm左右。允许有一小块磷共品复合物存在，但其中的碳化物的很大长度不允超过30mm，其面积总和不允许超过300mm2。影响铸铁活塞环金相组织的因素很多，笔者认为其中最主要的是化学成份、冷却速度、孕育剂与孕育处理工艺等，本文力图从这几方面阐述获得铸铁单体铸造活塞环段优越金相组织的方法。
2、化学成份对铸铁金相组织的影响
在一般情况下，当铸件的壁厚一定时，化学成份对铸铁金相组织起着决定性的作用。不同的元素对铸铁的石墨与基体组织的影响也不同，有些元素能溶于α和γ铁中减低了碳在铁中的溶解度，促使石墨析出，而另一些元素与其它元素化合成化合物作为石墨结晶核心促进石墨化，还有些元素是石墨化的。有些元素可强化基体，使铸铁的力学性能与物理性能提高，而有一些元素促进铸铁的铁素体或磷共晶含量增加，使其力学性能与物理性能下降。为获得铸铁优良的金相组织，建议用优先法设计出理想的优化成份并严加控制。
2.1 碳与硅
硅能把共晶和共析点移向温度较高及碳量较低的位置，提高共晶与共析温度，降低碳在液相和固溶体中的溶解度。当含碳量一定时，含硅量高的铸铁更趋向于共晶，因此硅是促进石墨化元素，当硅量小于3.5％时是很强的石墨化剂，随其含量增加而减弱，当含硅量增至10％时铸铁就全为白口。碳也是石墨化元素，随着含碳量的增加，碳以自由状态析出的过程更便于进行，这是因为碳原子的增加增强了碳原子间的结合力，形成大量的石墨核心促进石墨化。
合金铸铁环，是一种高碳高硅的多元素合金铸铁，其碳硅含量依据活塞环的断面数大小而定，一般碳含量在3.65%～4.00％，硅含量在2.60%～3.00％之间，碳硅含量太高或太低都是不适宜的。当碳硅含量过高时石墨粗化而易形成偏析；使其分布不均匀，石墨量太多，石墨长度及铁索体含量可能超标；当碳硅含量太低时又可能造成过冷石墨含量超标或产生游离渗碳体。铸铁活塞环不但要控制含碳硅的多少，而且还应控制碳与硅的比例。
2.2 锰与硫
锰是中等碳化物元素，其含量小于1.5％时反石墨化能力较弱。锰在铸铁中还起着特别有利的作用，锰与硫化铁之间能发生可逆反应：FeS+Mn≒MnS+Fe,MnS
一部分上浮为渣，另一小部分作为石墨核心，促进石墨化。一定量的锰还可改善铸铁的基体组织，提高铸铁的物理性能和力学性能。经典理论认为硫在钢铁中是有害元素。但笔者在实践中发现铸铁中含一定量的硫，对提高孕育效果是有益的，特别是用含锶硅铁作孕育剂效果更明显。由于铸铁熔炼设备与工艺的改进，铸铁熔炼过程中增硫的可能性很小。当原生铁中含硫量太低，用工频感应电炉熔炼时，在熔炼过程中可适当添加些硫元素，以提高孕育效果。活塞环铸铁中的含硫量控制在O.10％左右是适宜的，不会有不良影响。
2.3 磷
磷在液态铸铁中，能使共晶点向温度较高和含碳量较低的方向移动，同时降低共晶转变温度与液相线温度，提高铁水的流动性，增强填充能力。在固态铸铁中磷的溶解度是有限的，随着其含碳量与温度的降低而减少，当磷超过溶解度时，就会形成三元磷共晶。在活塞环铸铁中须含有适量的磷，以提高铁水的流动性和形成高硬度的二元磷共晶使其具备良好的耐磨性能。活塞环铸铁的含磷量一般在O.30％～0.50%之间。含磷太低时，铁水流动性差，而二元磷共晶含量少耐磨性差；含磷太高时又会形成三元磷共晶或量多块度大的磷共晶复合物，使零件脆强度低容易断裂。
2.4 钨、钒、铬、钼
它们在铸铁中有很小的溶解度，也能与渗碳体形成固溶体，它们与碳的化合能力远大于与铁的化合力，随着含量增加可形成特殊碳化物，如Mo、c、WC、VC等或形成稳固的渗碳体的固溶体，如(Cr,Fe)7C3等，它们促使碳成化合状态存在，强烈地反石墨化。当铸铁中含钨钒铬钼量较少时，使铸铁的珠光体组织呈细致的索氏体状，铸铁的致密度增加强度提高。活塞环铸铁中一般含W在0.35％～O.50％、V在0.15％～0.30％、铬Cr在O.15％～0.40％、Mo在0.15％～O.40％之间即可起合金化作用，既能强化基体又不会产生阻碍石墨析出的现象。
2.5 镍、铜、钴
这些元素能溶于铸铁的液态和固态中，与铁形成置换固溶体，减低Fe和C的结合力，促使Fe3C分解，促进石墨化，但石墨化能力比Si弱得多。这些元素在铸铁中一般很少单独应用，都是与其它元素配合使用，以促进铸铁的石墨化并强化基体，获得细密的珠光体组织从而提高了铸铁的力学性能与物理性能。到目前为止Ni、Co用于活塞环铸铁的还不多，Cu与Cr、Mo及V、Ti配合用于制造简体和单体铸造活塞环的生产都有。
2.6 确定铸铁活塞环化学成份的原则
铸铁活塞环的种类很多，有普通铸铁环、合金灰铸铁(低合金、中合金、高合金)环、可锻铸铁环、半可锻铸铁环、球墨铸铁环等。这些铸铁材料除可锻与半可锻铸铁环外，其它几乎都是高碳高硅多元素合金铸铁。活塞环铸铁化学成份确定的主要原则是：根据发动机性能、用户的具体要求、成品环的断面系数大小、原材料来源难易程度及价格、铸造及热处理工艺方法等来确定，以保证生产出力学性能与物性能都优良的活塞环。
3、冷却速度对铸铁金相组织的影响
铸铁液在结晶期间，冷却速度对铸铁组织具有很大的影响、变化冷却速度可以在较大的范围内获得各种组织。当化学成份相同时，采用不同的冷却速度就可以获得不同的金相组织。铸铁在铸型中的冷却速度主要受浇注温度、热力学常数、铸件壁厚的影响。
3．1 浇注温度
当铸铁液的化学成份、过热及保温时间一定时，适当地提高浇注温度可使铸型的温度相应提高，铸件的冷却速度也相应地下降，在一定程度上促进了石墨化。
3．2 热力学常数
铸件浇注后在砂型中的冷却速度可用下式表示：
dt/dτ=α/Rdc(t浇-t型)
式中：t浇一t型为浇注温度与砂型的平均温度之差；
α为铸型(砂型)的散热系数，单位是卡／厘米2·秒·摄氏度；
d为金属的密度，单位是克／厘米2；
C为金属的热容量，单位是卡／克·摄氏度；
R为铸件的换算厚度，单位是厘米。
从上式可知铸件的冷却速度与金属和铸型的温度差有关，与铸件的换算厚度成反比，与铸型的散热系数成正比。活塞环是一种结构简单、重量轻、换算厚度小的铸件，一般采用潮砂型叠箱单体铸造，需用较高的浇注温度，才能获得完整轮廓清晰的铸件，因此冷却速度是比较大的。提高铸型的平均温度与降低铸型的散热系数，是控制活塞环铸件冷却速度的关键。
3.3 铸件壁厚
铸件壁厚是决定铸件冷却速度的重要因素。当铸件壁厚大时，其冷却速度就慢，壁厚薄时，其冷却速度就快。因此根据铸件壁厚来选择适当的化学成份与浇注温度，是获得优良金相组织的又一设计原则。
从上述讨论中可知，只要浇注温度、热力学常数、铸件壁厚一定时，冷却速度的变化不会很大，铸件的金相组织是比较稳定的。就活塞环而言，某一机型的活塞环，其厚度是一定的。浇注温度是可以严格控制的。造型材料与型砂的含水量，金属材料等都有固定的技术要求，只要严加管理与控制，热力学常数的变化也不会太大，冷却速度应是比较稳定的，不会对金相组织造成大的影响。
4、孕育剂与孕育的处理
在铸铁液中加入适量的孕育剂，增加铁液中的结晶核心。减少过冷度，细化组织，改善石墨形态及分布，防止产生大量的过冷石墨和麻口组织，阻止石墨粗化，压制游离铁素的析出及磷共晶粗化与偏析，从而改善和提高铸铁的力学性能和物理性能。原铁水中的含硫量及所加孕育剂的种类、化学成份、粒度、加入量、加入方法等都与孕育效果有密切的关系。
4.1 孕育剂
孕育剂的种类很多，各类的作用与效果也各异，主要有促进石墨化和强化基体两大类。我厂采用的是含锶硅铁，它具有消除白口能力强、能改善石墨组织、收缩敏感性小等特点。其主要化学成份：73％～78％Si、O.6％～1.O％Sr、
根据浇包容量及浇注温度确定孕育剂的粒度大小；当用35kg浇包，浇注温度为1380℃左右时，孕育剂的粒度为1mm～6mm是适宜的。
根据铸件的壁厚或铸件的断面系数大小以及铁中含硅、硫量的情况确定孕育剂加入量。活塞环铸铁孕育剂加入量一般为0.3％～0.5％，加入量太少或过量都是不宜的。
4.2 孕育处理
孕育处理是获得优越金相组织的重要手段，其方法很多，以既保证孕育效果又便于操作为原则。如果用工频炉熔炼活塞环铸铁，在出铁水前应把炉内漂浮的溶渣除尽后加入适量的覆盖剂，出铁水时将孕育剂随铁水流冲入浇包内。经多年的实践证明此法是可行的。
5、结论
5.1 当铸件的断面系数一定时，铸铁的化学成份是影响金相组织的主要因素。当石墨化元素太低或碳化物合金元素太高时，会产生过冷石墨和游离渗碳体；当石墨化元素太高或碳化物元素太低时，珠光体片间距大，石墨粗化。在生产过程中应根据活塞环断面系数大小、设计合理的化学成份并严格控制。
5.2 冷却速度对活塞环的金相组织有一定的影响，只有在生产过程中严格控制浇注温度、原材料的质量及型砂的含水量与有关性能，才能得到优良的金相组织。
5.3孕育剂好坏与孕育方法正确不正确是影响活塞环金相组织的关键因素。精心选择品种好与质量优的孕育剂；严格控制孕育剂加入量与孕育处理工艺，是获得优越金相组织的重要措施之一。
