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铌铬合金铸铁活塞环金相组织的探讨 |
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作者：第一汽车集团公司铸模厂 张兴涛 |
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活塞环是发动机主要零件之一，也称为心脏零件。它在发动机中处于高温、高压、磨料磨损和磨蚀介质的条件下工作。随着发动机向高速大功率发展，活塞环的工作条件更加苛刻，活塞环最终失去工作能力，则是由于磨损严重、弹力消失及功率过大所造成。而活塞环耐磨性和弹力与铸铁活塞环金相组织密切相关，金相组织的好坏直接影响活塞环的机械性能和使用寿命。
为达到设计要求、保证活塞环的各种机械性能，如硬度、弹力、抗弯强度、弹力保持性和热稳定性等，必须具有良好的金相组织，这样才能使发动机始终处于良好的工作状态。
从1986年7月我厂正式转产CAl41汽车以来，活塞环材料采用了国际上很少使用的铌铬合金铸铁。目前，国内只有我厂采用这种新材料生产活塞环，国外也只有日本帝国活塞环公司生产这种材料的活塞环，而且生产批量很少。
采用铌铬合金铸铁这一新材料生产活塞环是有客观前提的。经生产试验证明，各项指标均达到了设计要求，金相组织合格，这种铸铁活塞环的耐热性、耐磨性优良，韧性、强度较高，抗弯强度在50～55MPa以上，硬度适中(100～105HRB)，加工性良好，贴缸压力理想，气密性好，节油性好。根据这些特点，对其金相组织谈一点看法和认识。
1 石墨组织
活塞环采用单体铸造、过共晶成分的铌铬合金铸铁，因而活塞环金相组织中石墨为过共晶石墨，主要是F型加细小A型、B型。这种石墨在半干和液体摩擦条件下磨损，但随着石墨数量的增加而减少，因为石墨可以吸附和存留润滑油，其本身是一种润滑剂。石墨脱落后，其孔洞可储藏磨料。但粗大的石墨会造成材料应力集中(切口作用)和截面积缩减作用，这将降低铸件的机械性能。石墨组织是影响活塞环弹性的主要因素，在基体组织相同时，适当调整石墨的形状、数量、大小及分布可获得不同的性能。粗大石墨、过多的D、E型石墨、偏析型石墨均会使环的机械性能降低。试验结果和生产实际表明，粗大的石墨(如图1)，其弹性模数只有60000MPa左右，而且硬度较低(92HRB)，抗弯强度只有30MPa以下，这种石墨在生产中是不允许的。过多的D、E型石墨，也称为共晶石墨或过冷石墨，这种石墨应控制在不超过视野面积的35％(如图2)，若超过则会影响基体组织。随着D、E型石墨的不断产生，将伴随着大量的铁素体出现，有时还会产生渗碳体，使机械性能变差。尤其是在高硬度(108～110HRB)．弹性模数13000MPa时，实际生产过程中会出现拉缸现象。
图1 ×100
图2×100
理想的石墨组织为中等F型加细小A、B型均匀分布(如图3)。 这种石墨具有良好的使用性能，其弹性模数为85000～100000MPa以上。行车15万公里仍能保持良好的机械性能．磨损量很小。
在实际生产过程中，有时会出现团球状石墨加细小A、B型石墨，均匀分布(如图4)。这种石墨组织在生产中出现的几率较多，其机械性能良好．弹性模数在100000MPa左右，抗弯强度35MPa，硬度100～103HRB，高温下工作弹力保持率在93％以上。这种石墨在国外汽车活塞环生产中应用较多．如日本帝国PT、意大利FIAT、美国CHEVROCET等，并认为该型石墨是理想的石墨组织。
图3 ×lOO
图4 ×100
2 铁素体
关于铁素体．几乎所有生产活塞环的厂家．其标准和技术条件中都对铁素体有一致的看法，即允许有均匀分布的小颗粒状铁素体，数量不超过所占视野的3％～5％。在实际生产中，多数国家对颗粒状铁索体一般都控制在3％～10％。因为过多的铁索体会引起气缸和缸套的擦伤、拉缸，降低发动机的功率，影响整车性能。从我厂生产实际情况出发，游离铁索体的含量控制在3％以内。
3 磷共晶组织
在活塞环中．磷共晶的结晶温度大约在950℃左右，其嵌入基体中间可以起网络支承载荷的骨架作用。它能减小磨损系数，增加耐磨性，并能抵挡共晶石墨和铁索体的有害作用。磷共晶按其相对的结构可分为二元磷共晶(α+Fe+Fe3P)、三元磷共晶(α+Fe+Fe3P+Fe3C)及复合物(α+Fe+Fe3P+合金碳化物)等三种形式．在活塞环中：磷共晶体存在形式并不十分重要，而主要在于磷共晶体的形状、大小、数量和分布特征。理想的磷共晶体应为均匀分布的连续网状或断续网或单独存在的小块状。其链长应力求小于150μm，不允许有粗长的集聚的大块存在，磷共晶的网孔不应过大。铌铬合金铸铁活塞环磷共晶组织(见图5)是一种硬度较高的金相组织，其布氏硬度为500～600HBS，呈均匀分布的中小块状。磷共晶是仅次于铌化物的滑动支承面．起很重要的作用。因为磷共晶具有较高的硬度，因而其耐密性良好。但过多的粗长磷共晶会导致硬度过高．加大脆性，从而使整体活塞环容易断裂。
图5 ×500
4 基体组织
铌铬合金铸铁活塞环的基体组织为索氏体型珠光体和细小片状珠光体．其片间距应小于0.8mm，这样才能有利于铌化物的弥散析出和镶嵌牢固。国内允许活塞环基体组织中有针状组织存在。但铌铬合金铸铁活塞环中出现的几率极少。这是因为针状组织是一种稳定组织．在高温下产生相变，因此我厂不允许有针状组织存在．
5 铌化物(铌、钽、碳、氮化合物)
在铌铬合金铸铁活塞环中．铌化物在理论上．以及道路行车、台架试验的结果表明。其耐磨性都高于其它牌号合金铸铁。其机理是。在金相组织中有大量的、弥散均匀分布的高硬度铌化物(硬度为2200～3000HV)，并镶嵌在第二、三滑动面的索氏体型珠光体及磷共晶组织之中，形成了硬质点作用的抗弯第一滑动面，与索氏体型珠光体、磷共晶体组成了良好的耐磨结构。铌化物的形态及分布将直接反映铌环质量的好坏。从试验结果和多年生产实际来看，最为理想的铌化物应为均匀分布的细小粒状，最大直径应不大于8μm。铌化物的数量，我厂一般控制在每平方毫米大于l000粒(如图6)。铌化物粒度过大(如图7)．则镶嵌不牢．在工作过程中容易造成脱落。脱落下的块状铌化物在汽缸中作为高硬度磨料。将造成“拉缸”．因此铌化物的粒度应控制在一定范围内。此外，过多密集分布的铌化物将造成铸件的局部硬度偏高，使同一片环的硬度差超出技术要求。
图6 ×500
图7 ×500
(end)
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(5/26/2010) |
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