調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)的技術(shù)研究

肖恭林，劉 宇

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

·應(yīng)用研究·

調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)的技術(shù)研究

肖恭林，劉 宇

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州213011）

主要研究了調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)的材料、鑄造工藝及熱處理工藝等，確定了化學(xué)成分、球化孕育、800 rpm的固定轉(zhuǎn)速、2 mm～3 mm涂料層厚度、冷卻方式、930℃×（8～10）h油冷+630℃×4 h空冷的熱處理等關(guān)鍵工藝參數(shù)，從而開(kāi)發(fā)出一種值得推廣應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)活塞環(huán)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)價(jià)值。

球墨鑄鐵；活塞環(huán)；熱處理

內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)的工作穩(wěn)定性及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性在很大程度上取決于活塞環(huán)的工作性能。由于石墨型鑄鐵材料中的石墨具有特殊的工作性能，會(huì)形成保護(hù)性潤(rùn)滑層，該保護(hù)層能夠防止發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸組件發(fā)生粘性磨損現(xiàn)象，因此灰鑄鐵和球墨鑄鐵是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外運(yùn)輸用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的主要材料[1]。鑄鐵活塞環(huán)的生產(chǎn)目前大多采用離心鑄造，而且工藝成熟、生產(chǎn)穩(wěn)定，因此在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的大型內(nèi)燃機(jī)車中球墨鑄鐵活塞環(huán)得到了廣泛的應(yīng)用。目前我公司生產(chǎn)的活塞環(huán)材料主要有普通合金鑄鐵、高強(qiáng)度合金鑄鐵以及高強(qiáng)度球墨鑄鐵三種，尚缺乏中等強(qiáng)度的球墨鑄鐵材料。普通合金鑄鐵活塞環(huán)采用單體鑄造工藝生產(chǎn)，高強(qiáng)度合金鑄鐵以及高強(qiáng)度球墨鑄鐵活塞環(huán)均采用離心鑄造工藝生產(chǎn)。高強(qiáng)度合金鑄鐵筒體環(huán)由于采用整體熱處理后再進(jìn)行切片加工，因而成品率高且加工簡(jiǎn)單方便。高強(qiáng)度球墨鑄鐵筒體環(huán)由于硬度偏高，只能先切片后進(jìn)行等溫淬火處理，環(huán)體變形大，廢品率高。

為此，我公司開(kāi)發(fā)出中等強(qiáng)度的球墨鑄鐵材料用于活塞環(huán)生產(chǎn)，達(dá)到簡(jiǎn)化加工工藝，降低制造成本，增加活塞環(huán)材料品種，提高環(huán)體成品率的目的。經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析研究與一系列分析與試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出中等強(qiáng)度的球墨鑄鐵材料，其與高強(qiáng)度球墨鑄鐵、高強(qiáng)度合金鑄鐵活塞環(huán)的材料性能對(duì)比見(jiàn)表1.

表1 材料性能對(duì)比

從表1中可以看出，調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵的材料性能是介于后兩者之間，從目前國(guó)內(nèi)大功率機(jī)車柴油機(jī)活塞環(huán)材料應(yīng)用情況來(lái)看，開(kāi)發(fā)調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)材料，可以豐富我公司活塞環(huán)材料品種，適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需要。

1 試驗(yàn)方案及過(guò)程

1.1 化學(xué)成分選擇

碳和硅：碳、硅元素對(duì)球墨鑄鐵的組織、性能有很大的影響。綜合考慮活塞環(huán)鑄件斷面模數(shù)、冷卻速度、白口傾向等因素，認(rèn)為碳當(dāng)量控制在4.5%～4.8%范圍較合適，其中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.4%～3.8%，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～2.6%.

錳：錳是中等反石墨化元素，能穩(wěn)定和細(xì)化珠光體。錳在球鐵中偏析嚴(yán)重，主要分布于晶界上，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生碳化物，降低材質(zhì)的塑性和韌性。因此，活塞環(huán)中的錳量不宜過(guò)高，通?？刂圃?.4%～0.6%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為宜。

磷和硫：磷和硫在球鐵中均為有害元素，要求越低越好。一般要求磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.07%，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.03%.

銅：銅是中等石墨化元素，共析轉(zhuǎn)變時(shí)增加其過(guò)冷度，起到抑制鐵素體的生成、穩(wěn)定珠光體的作用。為此，將活塞環(huán)材質(zhì)中的銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.4%～0.6%之間。

鉬：鉬是碳化物形成元素，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.6%時(shí)，作用十分溫和，僅有輕微的促進(jìn)白口傾向。鉬能細(xì)化珠光體，增加珠光體含量，同時(shí)還加強(qiáng)珠光體中的鐵素體[2]，提高材質(zhì)的強(qiáng)度、硬度、組織均勻性及在550°C以下的熱強(qiáng)性，鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.4%～0.6%之間。

鎂和稀土殘留量：鎂影響球鐵的力學(xué)性能，特別是塑性和韌性，因此在保證球化良好的前提下，應(yīng)降低鎂的殘留量。如果鎂在球鐵中的殘留量過(guò)高，會(huì)使石墨球形貌惡化鑄件白口傾向增大，適宜的殘留鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%～0.07%.

綜上，中等強(qiáng)度球鐵化學(xué)成分見(jiàn)表2.

表2 中等強(qiáng)度球鐵化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 球化孕育工藝

1.2.1 球化處理

球化劑采用稀土鎂球化劑，稀土鎂合金加入量為鐵水重量的1.3%～1.6%，球化處理采用包底凹坑沖入法，上面覆蓋一層硅鈣孕育劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～0.9%，表面撒少許冰晶石粉，在上面覆蓋一層稻草灰，蓋上1 mm～3 mm厚的薄鋼板，蓋實(shí)蓋嚴(yán)。

1.2.2 孕育處理

球鐵生產(chǎn)過(guò)程中的孕育處理是十分重要的，通過(guò)孕育不僅縮小球鐵件的白口傾向，消除滲碳體，而且還可以提高球化率，細(xì)化共晶團(tuán)，增加石墨球數(shù)，使石墨球圓整、分布均勻。采用兩次孕育，一次孕育劑采用SiBa合金，二次孕育劑采用75SiFe.二次孕育劑隨鐵水流加入，經(jīng)充分?jǐn)嚢?，扒渣后方可澆注?/p>

1.3 鑄造工藝

離心鑄造時(shí)，要獲得組織致密，機(jī)械性能良好的鑄件，必須選擇合理的工藝參數(shù)，其中最主要的工藝參數(shù)是涂料層的厚度、鑄型的轉(zhuǎn)速、急冷時(shí)間的控制等。

1.3.1 轉(zhuǎn)速的研究

轉(zhuǎn)速的確定十分重要，轉(zhuǎn)速過(guò)低離心力不足，易導(dǎo)致鑄件充型不良，轉(zhuǎn)速過(guò)高，不僅浪費(fèi)資源，而且會(huì)使鑄件產(chǎn)生縱向裂紋、成分偏析等問(wèn)題[3]，鑄型的轉(zhuǎn)速參照了長(zhǎng)期以來(lái)積累的離心鑄造經(jīng)驗(yàn)，決定采用800 rpm的固定轉(zhuǎn)速。

1.3.2 涂層方式的研究

離心鑄造時(shí)，涂料的作用是防止鑄件產(chǎn)生白口組織，提高金屬型的使用壽命，防止鑄件與型壁粘合，便于取出[4]。為了獲得鑄態(tài)無(wú)白口組織的鑄件，涂料層厚度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。如果涂料層厚度過(guò)薄，由于急冷的作用，鑄件會(huì)出現(xiàn)白口組織，如果涂料層厚度過(guò)厚，鑄件的晶粒組織過(guò)于粗大，機(jī)械性能降低。因此，涂料的厚度將直接影響環(huán)體的質(zhì)量，必須加以控制。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)涂料層厚度增至2 mm～3 mm時(shí)，白口的控制效果最佳。

1.3.3 冷卻方式的研究

澆注后噴水冷卻時(shí)間的不同，鑄件的冷卻速度也就不同。加水時(shí)間過(guò)早，冷卻速度過(guò)快，鑄件易出現(xiàn)大量的過(guò)冷石墨組織；加水時(shí)間過(guò)晚，鑄件的冷卻速度過(guò)慢，鑄件組織粗大，因此選擇合適的噴水冷卻時(shí)間，才能獲得晶粒組織致密細(xì)小、性能良好的筒體鑄件。噴水開(kāi)始時(shí)間在澆畢8 s～10 s，噴水持續(xù)時(shí)間應(yīng)持續(xù)1 min，噴水時(shí)應(yīng)注意觀察鑄件顏色，噴水結(jié)束時(shí)應(yīng)為暗紅色。

1.4 熱處理工藝

熱處理工藝采用調(diào)質(zhì)工藝，為了保證球墨鑄鐵活塞環(huán)具有良好的彈性，球鐵環(huán)淬火時(shí)，應(yīng)保證淬火組織無(wú)鐵素體，必須把球鐵環(huán)在共析轉(zhuǎn)變臨界溫度Ac上限以上溫度加熱。為了避免組織發(fā)生嚴(yán)重粗化，淬火加溫溫度不宜選擇太高，因此把熱處理工藝定為930℃×（8～10）h油冷+630℃×4h空冷。

1.5 取樣對(duì)象及方式

1）金相組織及機(jī)械性能的取樣對(duì)象為Y型試塊（220×25Y型），如圖1所示。

2）熱穩(wěn)定試驗(yàn)對(duì)象為活塞環(huán)本體，見(jiàn)圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵的金相組織

圖1 Y型試塊（單位：mm）

圖2020901 -1，020901-2拉伸試驗(yàn)后未斷

調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵的金相組織見(jiàn)表3.離心鑄造的調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄件的金相組織見(jiàn)圖3.

表3 調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵的金相組織

圖3離心鑄造的調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄件的金相組織

圖3 表明了離心鑄造的調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄件的金相組織完全達(dá)到了工藝設(shè)計(jì)要求，基體組織以珠光體和索氏體為主。

2.2 機(jī)械性能

經(jīng)測(cè)試，表4為離心鑄造的一組調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)的抗彎強(qiáng)度、彈性模量、彈強(qiáng)比及硬度數(shù)據(jù)。表5為熱穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。

表4 調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵的力學(xué)性能

表5 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)（公稱直徑228.6 mm）

從表4、表5可以看出，調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)環(huán)體平均抗彎強(qiáng)度為550 MPa，平均彈性模量為106 037 MPa，平均彈強(qiáng)比為193，其性能明顯優(yōu)于現(xiàn)行的單體活塞環(huán)。熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果顯示，其熱穩(wěn)定性各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。因此可以得出如下結(jié)論：只要成分選擇合適，保證將型腔內(nèi)壁涂料厚度控制在2 mm～3 mm之間，用離心鑄造方式獲得調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)是完全可行的。

2.3 調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵的研制可降低活塞環(huán)制造成本

調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵和高強(qiáng)度球墨鑄鐵活塞環(huán)粗加工工藝流程分別如下：

調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵：離心澆注→調(diào)質(zhì)→切片→粗磨兩平面→銑開(kāi)口→熱定型；

高強(qiáng)度球墨鑄鐵：離心澆注→預(yù)備熱處理→切片→粗磨兩平面→等溫淬火→中磨兩平面→車外圓→車內(nèi)圓→銑開(kāi)口→熱定型。

比較上述兩工藝流程可以看出，前者省略一道熱處理工序和三道機(jī)械加工工序。據(jù)實(shí)際測(cè)算，在滿足材料使用性能的前提下，同樣生產(chǎn)一道活塞環(huán)，調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)可節(jié)省制造成本6.5%以上。

3 結(jié)論

1）離心鑄造調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)環(huán)體平均抗彎強(qiáng)度為1 536 MPa，平均彈性模量為166 GPa，平均彈強(qiáng)比為112.1，其性能明顯優(yōu)于現(xiàn)行的單體活塞環(huán)。熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果顯示，其熱穩(wěn)定性各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。因此，只要成分選擇合適，保證將型腔內(nèi)壁涂料厚度控制在2 mm～3 mm之間，用離心頁(yè)鑄造方式制造調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)是完全可能的。

2）調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵在切片后、熱定型之前的變形量?jī)H0.05 mm，遠(yuǎn)小于高強(qiáng)度球墨鑄鐵在等溫淬火后的近1 mm的變形量。調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)的“漏光”單項(xiàng)成品率能在高強(qiáng)度球墨鑄鐵活塞環(huán)的基礎(chǔ)上提高約5%，這對(duì)提高活塞環(huán)全程成品率將十分有利。

3）調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵的研制可降低活塞環(huán)制造成本，比較高強(qiáng)度球墨鑄鐵省略一道熱處理工序和三道機(jī)械加工工序。據(jù)實(shí)際測(cè)算，在滿足材料使用性能的前提下，同樣生產(chǎn)一道9英寸活塞環(huán)，調(diào)質(zhì)球墨鑄鐵活塞環(huán)可節(jié)省制造成本6.5%以上。

［1］厲庭華，吳元正，闞正軍.大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)用球鐵活塞環(huán)毛坯的離心鑄造［J］.內(nèi)燃機(jī)車與配件.2014（2）:17-20.

［2］張伯明.鑄造手冊(cè):鑄鐵［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］張澤磊，楊剛，楊屹.離心鑄造研究現(xiàn)狀［J］.鑄鐵技術(shù)，2010，33（11）：1517-1521.

［4］張伯明.鑄造手冊(cè):鑄鐵［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

Technology Study on Quenched and Tempered Ductile Iron Piston Ring

XIAO Gong-lin，LIU Yu
（CRCC Qishuyan Institute CO.，LTD.，Changzhou JiangSu 213000，China）

The quenched and tempered ductile iron piston ring was studied in this paper.The key process parameters such as the chemical composition，casting process and heat treatment process were determined as:fixed rotational speed 800 rpm，coating layer thickness 2～3 mm，heat treatment of oil cooling 930℃×（8～10）h and air cooling 630℃×4 h，thus a high quality piston ring was developed which is worthy of popularization and application and has good economic benefit and market value.

ductile iron，piston ring，heat treatment

TG255

A

1674-6694（2017）01-0044-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.01.014

2016-08-15

肖恭林（1971-），男，江西人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事鑄造技術(shù)、質(zhì)量、生產(chǎn)管理工作。