淺述球墨鑄鐵活塞環(huán)的特性和工藝處理
活塞環(huán)在發(fā)動機中起密封、傳熱和支承等作用，因此要求活塞環(huán)有良好的耐磨性、彈性和熱穩(wěn)定性，尤其是對一道環(huán)要求更高。球墨鑄鐵活塞環(huán)的開發(fā)和應(yīng)用是活塞環(huán)制造史上質(zhì)的飛躍。如何穩(wěn)定地制造球墨鑄鐵活塞環(huán)是活塞環(huán)行業(yè)面臨的難題。為了解決這一難題，本廠從德國goetzea引進了單體雙片鑄造球墨鑄鐵活塞環(huán)的全部技術(shù)和相關(guān)設(shè)備。
如圖1所示，單體雙片鑄造的設(shè)計指導(dǎo)思想是利用銑刀把鑄坯的中心縮松及容易產(chǎn)生針孔、夾渣缺陷的上下表面銑削，從而獲得優(yōu)良的球墨鑄鐵活塞環(huán)。這種鑄造方式國外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且具有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗，國內(nèi)許多廠家也接受并開始了試制，但還不很成功。其主要原因是原材料問題及球墨鑄鐵活塞環(huán)的生產(chǎn)工藝過于復(fù)雜，很難確保球墨鑄鐵活塞環(huán)的基體組織，不能保證鑄件的合格率。雖然本廠引進了全部鑄造的軟硬件，但是在原材料供應(yīng)、生產(chǎn)工藝等方面還存在許多問題，試制初期也經(jīng)常出現(xiàn)球化率不高、球數(shù)合格率達不到要求等情況。經(jīng)過試制和摸索，基本上掌握了適合本廠的生產(chǎn)工藝，較全面地解決了球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄造上的技術(shù)問題，從而確保了球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄件的合格率。下面簡要介紹本廠是如何試制球墨鑄鐵活塞環(huán)的。
1工藝可行性分析
德國專家一再強調(diào)“球墨鑄鐵活塞環(huán)生產(chǎn)的關(guān)鍵在于原材料”，沒有合格的原材料是很難生產(chǎn)好球墨鑄鐵活塞環(huán)的。他們強調(diào)采用高純生鐵或合成生鐵，其成分為：38%～43%c，02%～04%si，004%～015%mn，p<0045%，s<001%，其它元素不得超過003%〔1〕。而國內(nèi)無此種新生鐵資源，國內(nèi)有可能供應(yīng)的生鐵成分為：38%～43%c，08%～13%si，02%～05%mn，p<007%，s<003%。這種生鐵影響球化處理的關(guān)鍵元素mn，p、s超高，給球墨鑄鐵活塞環(huán)的生產(chǎn)帶來很大的不利因素。目前國內(nèi)想找到滿足要求的原材料礦源或合成生鐵是很困難的，引進原材料也不現(xiàn)實。因此在選擇原材料時，應(yīng)盡可能符合國外要求，試驗選用的生鐵成分：40%～42%c，080%～09%si，020%～04%mn，004%～006%p，s<0026%。這種生鐵與國外要求的生鐵比較有如下幾個特點：①硅量超高04%～06%。由于使用中頻爐熔煉，雖會限制回爐料的回收和利用，但還不會構(gòu)成太大威脅。②含錳量超高014%～02%。較高的含錳量會影響鑄態(tài)組織的控制，隨后的鑄坯鐵素體化退火處理可解決這一難關(guān)。但過多的滲碳體出現(xiàn)將會影響球化的合格率及熱處理前后的尺寸控制。③含磷量尚可。即使以后使用的新生鐵含磷量稍高(<007%)，也不足以影響金相組織與力學(xué)性能。如含磷量太高，會導(dǎo)致鑄件含磷量>01%，就會在晶界產(chǎn)生磷共晶，使強度、韌性、塑性降低。④含硫量超高0016%以上。較高的含硫量會直接消耗球化劑的用量，特別是凝固期間溶解態(tài)的硫?qū)κ蚧挠绊?，會直接影響球化處理的效果，降低力學(xué)性能，增加鑄造缺陷(夾渣、皮下氣孔等)。
碳硫分析儀的使用為及時掌握原鐵液的含硫量，正確控制球化劑的加入量創(chuàng)造了條件，同時m孕育劑的使用也為球墨鑄鐵活塞環(huán)的生產(chǎn)起到了輔助作用。經(jīng)過以上工藝分析，采用國內(nèi)的原材料是能夠生產(chǎn)出合乎國外要求的球墨鑄鐵活塞環(huán)的。
2工藝性試驗及分析
采用40%～100%上述成分的生鐵，60%以下的回爐料，在150kg中頻爐中熔煉。加強操作工藝，確保球化溫度達1500～1550℃，從鐵液出爐至澆注完畢的時間控制在10min之內(nèi)，確保球化效果。
2.1球化處理
使用定制的球化劑，成分如下：38%～48%si，50%～65%mg，re≤10%，al≤10%。粒度：5～40mm。此種球化劑與國內(nèi)常用的稀土硅鐵鎂合金或稀土硅鐵鎂鈣合金球化劑比較，其含鎂量低于前者，又高于后者。球化反應(yīng)較平和，且在保證球化效果的前提下能較好地控制球化劑的加入量，保證球化劑的吸收率，并且較好地控制鐵液溫度的下降。另外，使用的球化劑稀土元素含量極低，從而使球化處理后鐵液中殘留稀土量不致過高，減少滲碳體的形成；而殘留在鐵液中的微量稀土元素既可抑制球化干擾元素的作用，又可以提高孕育時的成核率。
經(jīng)過一系列的試驗發(fā)現(xiàn)，活塞環(huán)不同的v/o比(斷面面積與周長之比)所需球化劑的加入量不同；不同的原鐵液含硫量所需球化劑的加入量也不同。球化劑的加入量是燒損量、去硫耗鎂量與殘余鎂量的總和。
由于原鐵液出爐溫度、球化處理方式、停留時間的長短都將影響鎂的損耗量，為了正確控制球化劑的加入量，對生產(chǎn)中變化較大的因素加以控制，球化溫度應(yīng)控制在1500～1550℃(最佳在1530～1550℃)，球化劑加入采用凹坑包底沖入法，球化處理后澆注時間不超過8min(最佳控制在6min內(nèi))。在操作周期和工藝基本不變的情況下，認為鎂的燒損量基本一致。由于原鐵液含硫量較高，不可能達到<0018%的要求，球化劑的加入量需考慮去硫耗鎂量。碳硫分析儀的快速測定，能及時提供原鐵液的含硫量，試驗中原鐵液的含硫量在002%～003%，去硫耗鎂量在00076%上下波動，這在工藝上是可以接受的。
球化劑的用量直接影響殘余鎂量的多少。如果球化劑加入量過多，就會引起殘余鎂量過多，雖然不致于影響球化合格率(球徑大小仍屬正常)，但是它會增加收縮，引起脆性。同時由于原鐵液含錳量偏高，球化劑加入量過多，較易出現(xiàn)碳化物，白口傾向嚴(yán)重，導(dǎo)致球數(shù)合格率的下降；如果球化劑加入量過少，就會導(dǎo)致殘余鎂量不足，影響球化的合格率，球數(shù)合格率也會降低。表1是在正常試驗情況下的結(jié)果，并說明如下：①球化劑加入量14%時，由于殘余鎂量不足，出現(xiàn)蠕蟲狀石墨；②加入量18%時，由于殘余鎂量過多，出現(xiàn)碳化物，導(dǎo)致球數(shù)下降，不過二者球徑大小仍合乎要求；③球化合格率非球化率。
2.2孕育處理
球墨鑄鐵活塞環(huán)生產(chǎn)中使用的孕育劑是特制的混合孕育劑，由定制的s孕育劑和m孕育劑按一定比例混合而成。對單體雙片球墨鑄鐵活塞環(huán)的孕育效果明顯好于常用的fesi75孕育劑。試驗中使用的s孕育劑成分為：73%～78%si，07%～10%sr，06%～10%ca，al≤10%。m孕育劑成分為：43%～47%si，10%～15%mg，06～09%ca，al≤10%。
混合孕育劑的最大特點是不僅能較好地防止鑄態(tài)白口，促使生成鐵素體，細化石墨球，減少鑄造缺陷，而且特有的球化元素mg、sr、ca在鐵液溫度相對較低情況下的微量補充，不但能顯著增加石墨球的數(shù)量，而且能穩(wěn)定球化，使球形更圓整。表2是不同孕育劑加入量對球化處理合格的鐵液進行孕育的結(jié)果。對表2結(jié)果說明如下：①球數(shù)合格率是在球化合格基礎(chǔ)上統(tǒng)計的；②孕育劑加入量<04%時，石墨核心逐漸減少，石墨球變大，數(shù)量減少，圓整度變差，出現(xiàn)自由滲碳體；③孕育劑加入量05%時球數(shù)不再增加，但總的石墨含量增多，球徑加大，有開花現(xiàn)象；④加入量06%時石墨球開花現(xiàn)象嚴(yán)重，由于相對含硅量增多，碳當(dāng)量過高，出現(xiàn)了石墨漂浮現(xiàn)象。
總之，適當(dāng)?shù)脑杏齽┘尤肓?，并采取瞬時孕育快速澆注，既可保證基體組織，又能有效地消除自由滲碳體，并且可使磷共晶彌散，降低終硅含量，有利于韌性的提高。從表2也可看出，最佳的混合孕育劑加入量為04%。
3原鐵液碳、硅的控制
3.1碳量
球墨鑄鐵活塞環(huán)中的碳不象灰鑄鐵環(huán)那樣損害力學(xué)性能，只要不產(chǎn)生石墨漂浮，選擇高碳反而有利：①碳高石墨結(jié)晶晶核多，使石墨球細化，能提高球的圓整度；②碳高石墨化膨脹大，使活塞環(huán)更致密，可減少縮性；③碳高使球墨鑄鐵更接近共晶成分，有利于流動性的提高。但是過高的碳量，也就是超過共晶點的碳量會導(dǎo)致開花狀石墨，使形態(tài)惡化，嚴(yán)重時會出現(xiàn)石墨漂浮，鐵液流動性亦由此下降，鑄環(huán)上表面氣孔缺陷增多。視環(huán)樣v/o值，碳量宜控制在365%～38%。
3.2硅量
硅是強烈的石墨化元素，由孕育劑進入鐵液中的硅比鐵液中原有硅的石墨化能力更強。由于活塞環(huán)在鑄型中的冷卻速度非常快，只有達到goetze技術(shù)條件規(guī)定的石墨球數(shù)(>30000球粒/cm2)才有可能達到鑄態(tài)基體組織中滲碳體<5%。所以孕育是至關(guān)重要的，應(yīng)選擇如上所述的有強烈孕育作用的孕育劑，但用量不宜超過06%，以免出現(xiàn)開花狀石墨。為具有足夠的石墨化能力，視環(huán)樣v/o比值，總硅量宜在24%～28%，扣除孕育劑、球化劑中帶入的硅，控制原鐵液中的硅含量見表3。
4生產(chǎn)情況
目前，本廠已較成功地應(yīng)用中頻爐及電弧爐生產(chǎn)出桑塔納轎車、“xf157”、“6105”等多種主機的單體雙片球墨鑄鐵活塞環(huán)，其金相組織(球化合格率、石墨球數(shù)合格率及球徑大小)均達到了國外同等要求，鑄件廢品率也極低，最終的球墨鑄鐵活塞環(huán)產(chǎn)品有較好的力學(xué)性能，滿足了用戶的需要。
如圖1所示，單體雙片鑄造的設(shè)計指導(dǎo)思想是利用銑刀把鑄坯的中心縮松及容易產(chǎn)生針孔、夾渣缺陷的上下表面銑削，從而獲得優(yōu)良的球墨鑄鐵活塞環(huán)。這種鑄造方式國外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且具有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗，國內(nèi)許多廠家也接受并開始了試制，但還不很成功。其主要原因是原材料問題及球墨鑄鐵活塞環(huán)的生產(chǎn)工藝過于復(fù)雜，很難確保球墨鑄鐵活塞環(huán)的基體組織，不能保證鑄件的合格率。雖然本廠引進了全部鑄造的軟硬件，但是在原材料供應(yīng)、生產(chǎn)工藝等方面還存在許多問題，試制初期也經(jīng)常出現(xiàn)球化率不高、球數(shù)合格率達不到要求等情況。經(jīng)過試制和摸索，基本上掌握了適合本廠的生產(chǎn)工藝，較全面地解決了球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄造上的技術(shù)問題，從而確保了球墨鑄鐵活塞環(huán)鑄件的合格率。下面簡要介紹本廠是如何試制球墨鑄鐵活塞環(huán)的。
1工藝可行性分析
德國專家一再強調(diào)“球墨鑄鐵活塞環(huán)生產(chǎn)的關(guān)鍵在于原材料”，沒有合格的原材料是很難生產(chǎn)好球墨鑄鐵活塞環(huán)的。他們強調(diào)采用高純生鐵或合成生鐵，其成分為：38%～43%c，02%～04%si，004%～015%mn，p<0045%，s<001%，其它元素不得超過003%〔1〕。而國內(nèi)無此種新生鐵資源，國內(nèi)有可能供應(yīng)的生鐵成分為：38%～43%c，08%～13%si，02%～05%mn，p<007%，s<003%。這種生鐵影響球化處理的關(guān)鍵元素mn，p、s超高，給球墨鑄鐵活塞環(huán)的生產(chǎn)帶來很大的不利因素。目前國內(nèi)想找到滿足要求的原材料礦源或合成生鐵是很困難的，引進原材料也不現(xiàn)實。因此在選擇原材料時，應(yīng)盡可能符合國外要求，試驗選用的生鐵成分：40%～42%c，080%～09%si，020%～04%mn，004%～006%p，s<0026%。這種生鐵與國外要求的生鐵比較有如下幾個特點：①硅量超高04%～06%。由于使用中頻爐熔煉，雖會限制回爐料的回收和利用，但還不會構(gòu)成太大威脅。②含錳量超高014%～02%。較高的含錳量會影響鑄態(tài)組織的控制，隨后的鑄坯鐵素體化退火處理可解決這一難關(guān)。但過多的滲碳體出現(xiàn)將會影響球化的合格率及熱處理前后的尺寸控制。③含磷量尚可。即使以后使用的新生鐵含磷量稍高(<007%)，也不足以影響金相組織與力學(xué)性能。如含磷量太高，會導(dǎo)致鑄件含磷量>01%，就會在晶界產(chǎn)生磷共晶，使強度、韌性、塑性降低。④含硫量超高0016%以上。較高的含硫量會直接消耗球化劑的用量，特別是凝固期間溶解態(tài)的硫?qū)κ蚧挠绊?，會直接影響球化處理的效果，降低力學(xué)性能，增加鑄造缺陷(夾渣、皮下氣孔等)。
碳硫分析儀的使用為及時掌握原鐵液的含硫量，正確控制球化劑的加入量創(chuàng)造了條件，同時m孕育劑的使用也為球墨鑄鐵活塞環(huán)的生產(chǎn)起到了輔助作用。經(jīng)過以上工藝分析，采用國內(nèi)的原材料是能夠生產(chǎn)出合乎國外要求的球墨鑄鐵活塞環(huán)的。
2工藝性試驗及分析
采用40%～100%上述成分的生鐵，60%以下的回爐料，在150kg中頻爐中熔煉。加強操作工藝，確保球化溫度達1500～1550℃，從鐵液出爐至澆注完畢的時間控制在10min之內(nèi)，確保球化效果。
2.1球化處理
使用定制的球化劑，成分如下：38%～48%si，50%～65%mg，re≤10%，al≤10%。粒度：5～40mm。此種球化劑與國內(nèi)常用的稀土硅鐵鎂合金或稀土硅鐵鎂鈣合金球化劑比較，其含鎂量低于前者，又高于后者。球化反應(yīng)較平和，且在保證球化效果的前提下能較好地控制球化劑的加入量，保證球化劑的吸收率，并且較好地控制鐵液溫度的下降。另外，使用的球化劑稀土元素含量極低，從而使球化處理后鐵液中殘留稀土量不致過高，減少滲碳體的形成；而殘留在鐵液中的微量稀土元素既可抑制球化干擾元素的作用，又可以提高孕育時的成核率。
經(jīng)過一系列的試驗發(fā)現(xiàn)，活塞環(huán)不同的v/o比(斷面面積與周長之比)所需球化劑的加入量不同；不同的原鐵液含硫量所需球化劑的加入量也不同。球化劑的加入量是燒損量、去硫耗鎂量與殘余鎂量的總和。
由于原鐵液出爐溫度、球化處理方式、停留時間的長短都將影響鎂的損耗量，為了正確控制球化劑的加入量，對生產(chǎn)中變化較大的因素加以控制，球化溫度應(yīng)控制在1500～1550℃(最佳在1530～1550℃)，球化劑加入采用凹坑包底沖入法，球化處理后澆注時間不超過8min(最佳控制在6min內(nèi))。在操作周期和工藝基本不變的情況下，認為鎂的燒損量基本一致。由于原鐵液含硫量較高，不可能達到<0018%的要求，球化劑的加入量需考慮去硫耗鎂量。碳硫分析儀的快速測定，能及時提供原鐵液的含硫量，試驗中原鐵液的含硫量在002%～003%，去硫耗鎂量在00076%上下波動，這在工藝上是可以接受的。
球化劑的用量直接影響殘余鎂量的多少。如果球化劑加入量過多，就會引起殘余鎂量過多，雖然不致于影響球化合格率(球徑大小仍屬正常)，但是它會增加收縮，引起脆性。同時由于原鐵液含錳量偏高，球化劑加入量過多，較易出現(xiàn)碳化物，白口傾向嚴(yán)重，導(dǎo)致球數(shù)合格率的下降；如果球化劑加入量過少，就會導(dǎo)致殘余鎂量不足，影響球化的合格率，球數(shù)合格率也會降低。表1是在正常試驗情況下的結(jié)果，并說明如下：①球化劑加入量14%時，由于殘余鎂量不足，出現(xiàn)蠕蟲狀石墨；②加入量18%時，由于殘余鎂量過多，出現(xiàn)碳化物，導(dǎo)致球數(shù)下降，不過二者球徑大小仍合乎要求；③球化合格率非球化率。
2.2孕育處理
球墨鑄鐵活塞環(huán)生產(chǎn)中使用的孕育劑是特制的混合孕育劑，由定制的s孕育劑和m孕育劑按一定比例混合而成。對單體雙片球墨鑄鐵活塞環(huán)的孕育效果明顯好于常用的fesi75孕育劑。試驗中使用的s孕育劑成分為：73%～78%si，07%～10%sr，06%～10%ca，al≤10%。m孕育劑成分為：43%～47%si，10%～15%mg，06～09%ca，al≤10%。
混合孕育劑的最大特點是不僅能較好地防止鑄態(tài)白口，促使生成鐵素體，細化石墨球，減少鑄造缺陷，而且特有的球化元素mg、sr、ca在鐵液溫度相對較低情況下的微量補充，不但能顯著增加石墨球的數(shù)量，而且能穩(wěn)定球化，使球形更圓整。表2是不同孕育劑加入量對球化處理合格的鐵液進行孕育的結(jié)果。對表2結(jié)果說明如下：①球數(shù)合格率是在球化合格基礎(chǔ)上統(tǒng)計的；②孕育劑加入量<04%時，石墨核心逐漸減少，石墨球變大，數(shù)量減少，圓整度變差，出現(xiàn)自由滲碳體；③孕育劑加入量05%時球數(shù)不再增加，但總的石墨含量增多，球徑加大，有開花現(xiàn)象；④加入量06%時石墨球開花現(xiàn)象嚴(yán)重，由于相對含硅量增多，碳當(dāng)量過高，出現(xiàn)了石墨漂浮現(xiàn)象。
總之，適當(dāng)?shù)脑杏齽┘尤肓?，并采取瞬時孕育快速澆注，既可保證基體組織，又能有效地消除自由滲碳體，并且可使磷共晶彌散，降低終硅含量，有利于韌性的提高。從表2也可看出，最佳的混合孕育劑加入量為04%。
3原鐵液碳、硅的控制
3.1碳量
球墨鑄鐵活塞環(huán)中的碳不象灰鑄鐵環(huán)那樣損害力學(xué)性能，只要不產(chǎn)生石墨漂浮，選擇高碳反而有利：①碳高石墨結(jié)晶晶核多，使石墨球細化，能提高球的圓整度；②碳高石墨化膨脹大，使活塞環(huán)更致密，可減少縮性；③碳高使球墨鑄鐵更接近共晶成分，有利于流動性的提高。但是過高的碳量，也就是超過共晶點的碳量會導(dǎo)致開花狀石墨，使形態(tài)惡化，嚴(yán)重時會出現(xiàn)石墨漂浮，鐵液流動性亦由此下降，鑄環(huán)上表面氣孔缺陷增多。視環(huán)樣v/o值，碳量宜控制在365%～38%。
3.2硅量
硅是強烈的石墨化元素，由孕育劑進入鐵液中的硅比鐵液中原有硅的石墨化能力更強。由于活塞環(huán)在鑄型中的冷卻速度非常快，只有達到goetze技術(shù)條件規(guī)定的石墨球數(shù)(>30000球粒/cm2)才有可能達到鑄態(tài)基體組織中滲碳體<5%。所以孕育是至關(guān)重要的，應(yīng)選擇如上所述的有強烈孕育作用的孕育劑，但用量不宜超過06%，以免出現(xiàn)開花狀石墨。為具有足夠的石墨化能力，視環(huán)樣v/o比值，總硅量宜在24%～28%，扣除孕育劑、球化劑中帶入的硅，控制原鐵液中的硅含量見表3。
4生產(chǎn)情況
目前，本廠已較成功地應(yīng)用中頻爐及電弧爐生產(chǎn)出桑塔納轎車、“xf157”、“6105”等多種主機的單體雙片球墨鑄鐵活塞環(huán)，其金相組織(球化合格率、石墨球數(shù)合格率及球徑大小)均達到了國外同等要求，鑄件廢品率也極低，最終的球墨鑄鐵活塞環(huán)產(chǎn)品有較好的力學(xué)性能，滿足了用戶的需要。
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