铸铁活塞环的微观缺陷及其分析.doc

铸铁铸铁活塞活塞环环的微的微观观缺陷及其分析缺陷及其分析活塞环是发动机、压缩机内脏部分的关键性零件，它是处在高温、高压、高速、摩擦、腐蚀条件下工作的，工作条件十分恶劣，故活塞环质量的好坏直接影响机器的使用寿命一般国外活塞环使用寿命较高，可达3×106～4×105km而国内活塞环个别质量较好的仅十几万千米两者差距较大，主要还是质量问题活塞环的铸件质量包括内在质量和表面质量两种，前者涉及到活塞环的机械物理性能和使用寿命，后者涉及到废品率和经济效益根据内燃机行业 1984 年对全国 14 个专业生产厂不完全统计，铸造废品率平均为 28.86%，从近期情况看，活塞环除产生铸造表面缺陷外，尚存在着各种严重的组织缺陷，造成废品率大增由此可见，提高活塞环的内在质量已是当务之急本文力图对活塞环的组织缺陷进行微观分析，找出产生缺陷的原因，采取相应对策，提高活塞环的质量1.粗长片状石墨在铸铁金相标准 GB7216-87 中，将铸铁中的石墨分布的形状分为：A，B，C，D，E 和 F 六种其中 A 型石墨(片状石墨均匀分布)是筒形铸造活塞环常见的石墨当铸铁活塞环石墨片过分粗大时，它强烈的割裂金属基体，使金属基体松弛，硬度强度下降，脆而易断，对弹性、耐磨性不利。

例如：我厂生产的 S-lO/150 型压缩机二级环(Φ150mm×5.4mm×4mm)铸造后经金相观察，其石墨片实际长度约 0.20mm(图 1)，硬度值偏低(85～87HRB)，加工成形后径向弹力为 44N设计材料为 HT300，硬度要求 91～107HRB，径向弹力66.9～99.6N产生这种缺陷的原因，主要是铸造时毛坯尺寸较厚，碳硅量过高，冷却速度缓慢以及铸铁中所含的合金元素含量偏低和孕育过度造成的GB3509-83 内燃机简体铸造活塞环金相检验标准中规定气缸直径在 160mm以内的普通合金铸铁简体铸造活塞环，径向厚度1.2um)活塞环组织的粗细与奥氏体的过冷度有关，如果活塞环的组织较粗，将导致活塞环强度、硬度下降，弹性、耐磨性降低例如：我厂生产的 BD-40/8型压缩机的一级环(Φ480mm×14.5mm×9mm)，由于铸造后硬度偏低(80～84HRB，设计时硬度为 89～105HRB)，所以活塞环加工后成型弹力达不到技术要求经金相检验，其组织为较粗片状珠光体(图 5)产生这种缺陷的原因是：铸造毛坯尺寸太厚，冷却缓慢和所含的合金元素偏低而造成的图 5 较粗片状珠光体 500× 4％硝酸酒精溶液侵蚀 图 6 索氏体型珠光体+渗碳体和莱氏体 500× 4％硝酸酒精溶液侵蚀 5.渗碳体及莱氏体国内活塞环中一般不允许有渗碳体及莱氏体存在，因为渗碳体及莱氏体是一种硬而脆的相(图 6)，虽然其本身是耐磨损的，但是由于硬度高、脆性大，造成加工困难、使用时易产生脆断等，而且渗碳体剥落后还会加剧铸件的磨损。

所以金相检验中，活塞环中出现渗碳体，立刻报废是可以理解的但是这里还必须持有一种科学的态度，对于渗碳体的出现，并不能一概而论，统统报废少量的渗碳体出现在活塞环的边角处，而且加工后又可去除者为什么不可以呢?标准中不允许有渗碳体及莱氏体是指加工后的成品环，而不是指铸造毛坯在近代活塞环的新材质中，人们特意往铸铁中加入硼、铌等合金元素，添加这些微量元素的目的，就是要生成硬质相(硼的碳化物，铌的碳化物等)，以提高活塞环的强度、硬度、弹性和耐磨性(因为渗碳体 HV=900，而硼的碳化物HV=1000～1100)，使活塞环身价大增国外一些厂家也是通过控制工艺和添加合金元素的办法，来消除铸铁中渗碳体的完整性，使其变成点状或小条状，均匀分布于活塞环的断面中，但允许其含量不应超过视场面积的 5％ 渗碳体及莱氏体形成的原因主要是铸件冷却速度快，合金元素中含有较多的碳化物形成元素，阻碍了石墨化6.反白口反白口主要出现在单体铸造活塞环上，白口组织常在截面内部，这种组织缺陷多半在活塞环从外面加工至较大的深度或者在铣油环槽时才暴露出来(图 7)，它的出现严重的影响了加工，极易脆断对反白口缺陷已经研究了很长时间，人们曾提过许多观点，早期有人认为反白口是由于氢气对石墨化作用阻碍的结果；还有人认为反白口是铸件凝固时在石墨化膨胀压力下结晶所形成的。

近来比较流行的观点是碳反偏析理论和冷却速度理论活塞环在铸造中，因有碳的反偏析，中心部分与表面相比为低碳铁水，其中心部位所需的冷却速度并不一定要比表面冷却速度大，而仅要求大于该处铁水形成白口的临界转变速度即可因而形成反白口所需要的冷却速度范围比较宽，出现反白口的机率更大口图 7 索氏体型珠光体+渗碳体 500×4％硝酸酒精溶液侵蚀7 磷共晶枝晶、偏析、粗大和大块复合物磷共晶是活塞环组织中的一个重要相如果铸铁中含磷较高，当它在铁中固溶量很少时(≤O.02％)，不可避免地在铸铁中要出现磷共晶磷共晶的性质比较硬且脆，其硬度高达 600～800HV，嵌入基体中的磷共晶网络起着支承载荷的骨架作用，它能减少摩擦系数，增强耐磨性，同时能抵消共晶石墨及铁素体的有害作用磷共晶按其成分和结构的形式不同可以分为二元磷共晶、三元磷共晶和复合磷共晶三类GB3509-83 活塞环的金相标准中规定，二元、三元磷共晶是允许的，只是对复合物中的碳化物块度要适当控制，在分布上应为断续网状、均匀分布，不允许有严重枝晶和偏析至于磷共晶的大小，规定单个磷共晶最大面积≯2000/μm2，最大链长≯200μm磷共晶的形成与铸铁中的化学成分、共晶度及冷却速度有关，铸铁中含磷量越高，冷却速度越慢，则形成磷共晶的数量越多、越粗大(图 8)，在局部地区由于含磷量过高，还会产生磷共晶偏析。

当磷共晶过分粗大偏析时，会使活塞环的韧性和强度下降，切削加工困难；同时由于硬脆易于剥落，反而会加剧铸件的磨损只有冷速越快，分散结晶的倾向也就越大，磷共晶的链线也就越细复合磷共晶是白色的 Fe3C 条带贯穿或附着二元或三元磷共晶上(图 9)，形成鲜明的界线，在检验中易于区别GB3509-83规定，复合物中的碳化物长度应≯50um，面积应≯500μm2若复合物过大，活塞环在运行中，由于碳化物的剥落，易于产生拉缸现象这种缺陷产生的原因是活塞环中含有较高的碳化物形成元素，加之零件截面较大，冷却缓慢，给磷及碳化物元素形成偏析造成有利条件，使之磷共晶和碳化物聚合成粗大的可能图 8 细片珠光体+较粗大的磷共晶 500× 4％硝酸酒精溶液侵蚀 图 9 较粗片状珠光体+较大块复合物 500× 4％硝酸酒精溶液侵蚀 8.以碳化物为基的磷共晶体以碳化物为基的磷共晶是活塞环中不希望存在的组织，整个磷共晶以碳化物为主导地位，Fe3P 和 a 质点则很少存在(图 10)它的出现将使活塞环的强度和硬度增高，弹性和耐磨性增加，数量较多时会使活塞环脆断产生原因主要是含碳化物形成元素较高、冷却过快和孕育不足所致。

图 10 所示材料中的化学成分为 3.97％C，1.66％Si，O.096Cr，O.58％Mo图 10 中等片状珠光体+以碳化物为基的磷共晶 500×4％硝酸酒精溶液侵蚀9.粒状珠光体活塞环在铸造和热处理的过程中，一般只要工艺规范正确，不会产生粒状珠光体但是这并不是绝对的，虽然工艺规范正确，如果没有严格的去执行，粒状珠光体的产生也就再所难免例如，我厂 NC-1 型产品一级环，铸造后硬度为 103～104HRB，径向弹力要求 220～280N，消除应力的温度 550±10℃由于仪表失灵，温度升高至 750℃，出炉后活塞环的硬度为 92～93HRB，成型后弹力为 190N通过金相分析，金属的基体由细片状珠光体转变为粒状珠光体(图 11)由于粒状珠光体对活塞环的力学性能和使用寿命产生不利的影响，故应当避免之图 11 粒状珠光体+少量片状珠光体 500×4％硝酸酒精溶液侵蚀10.针状组织针状组织一般是指铸态下的贝氏体、马氏体和少量的残余奥氏体的统称，是活塞环厂对上述组织的俗称由于单体铸造工艺特点及合金元素的影响，活塞环的铸态基体中经常出现针状组织(图 12)，这时毛坯的硬度较高，一般可达 112HRB。

国外活塞环的针状组织硬度普遍在 110HRB 以上，上限者可达118HRB为了提高活塞环的耐磨性，获得针状组织，国外采用直接铸出或用热处理的淬火方法来得到，而我们则是在铸造中无意得到的铸态下的针状马氏体、下贝氏体和针状屈氏体的硬度分别可达 900～1100HV，600～700HV 和500～600HV 引，这种混合组织虽然其本身耐磨性高，但由于硬度较高，给机加工带来了困难产生这种缺陷的主要原因是单体铸造冷却速度快，合金元素含量较高等造成的图 12 材料中的化学成分为3.60％C，2.80％Si，O.56％Cr，O.52％Mo，O.68％Cu为了防止针状组织的产生，在铸造生产中，除控制型砂水分和通气性外，浇注温度的高低要适当，浇注后开箱不得过早合金元素主要是控制铬钼的含量，一般控制铬含量在0.25～0.35％、钼含量在 O.20～0.40％目前对针状组织的看法尚不完全一致有些资料表明，铸态针状组织活塞环经 560℃时效处理后可以转变为回火索氏体，硬度下降到 100HRB 左右，通过试验，力学性能和使用寿命都能满足使用要求Ⅲ，故目前国内外有些活塞环的金相标准中允许有针状组织存在但是从活塞环的使用寿命来看，最满意的组织仍是索氏体型或细片状珠光体，因此我们把针状组织暂列为缺陷组织。

图 12 针状组织 500×4％硝酸酒精溶液侵蚀。