多元素钒钛球墨铸铁活塞环的研制与应用
李香孟，王稼祥，王义波，郑康

　　摘要：介绍了多元素钒钛球墨铸铁活塞环磨损机理，铸造工艺、综合性能、物化性质、化学成分、金相组织概况及该产品装机工矿和台驾快磨试验结果，说明多元素钒钛球墨铸铁是一种值得推广应用的新型优质活塞环材质。

　　作者为：龙口市皇元活塞环有限公司工程师
　　中图分类号：TG255　文献标识码：A
　　发表于： 《现代铸铁》 2003年第4期，P19

　　球墨铸铁活塞环材质以优良的力学性能、高强度、高韧性、优良的抗折断性和较好的制造工艺性，其应用呈逐年递增趋势，已成为国内外活塞环中高档产品的主导材质。然而球墨铸铁材质不具备良好的耐磨和抗拉伤、擦伤性能，在很大程度上限制了该材质的应用条件。一种集高强度、高韧性、高耐磨性于一身的球墨铸铁活塞环新材质是内燃机工业发展的需求，多元素钒钛球墨铸铁活塞环材质的研制与应用，正顺应这一需求，有着广泛的应用前景，该产品已在新型摩托车，汽车发动机上广为应用。

　　1、多元素钒钛球墨铸铁活塞环材质概况
　　1.1 化学成分
　　多元素钒钛球墨铸铁活塞环材料化学成分为(W_B/%): 3.5~4.0 C, 2.4~3.0 Si, 0.2~3.0 Mn, <0.05 S, 0.1~0.4 Cr, 0.3~0.8 Cu, 0.15~0.3 V, 0.1~0.2 Ti, <0.1 P.
　　1.2显微结构
　　显微结构见图1~3。由图可知石墨呈球形。基体组织为调质组织（回火马氏体）。
　　1.3 力学性能
　　多元素钒钛球墨铸铁活塞环材料与国内外球铁活塞环，材料性能比较见表1。

表1 活塞环材料性能比较

　　 多元素钒钛球墨铸铁活塞环金相图片（见图1~3）。

图1、石墨形态 100×

图2、 基体组织 500×

图3、 硬质相1000×

　　２、多元素钒钛球墨铸铁活塞环的铸造工艺

　　２.1、化学成分选择

　　提高球墨铸铁的综合性能，特别是耐磨性，选择加入何种合金元素十分关键。综合合金元素的作用机理、工艺可行性及经济性，选择了铜、铬、钒钛作为合金添加元素。
　　铜：能在共析转变中增加奥氏体向珠光体转变的过冷倾向，提高铸铁的致密度，因而有利于提高活塞环的耐磨性。
　　铬：在铸铁中能细化基体组织，可提高活塞环的硬度和耐磨度。Cr又有较高的抗氧化性、高温强度和热稳定性，球墨铸铁中的珠光体稳定性显著提高。
　　钒和钛： 在铸铁组织中形成含碳的氮化钒和氮化钛，呈矩形和三角形或不规则的小块，粒度为3~6μm, 每1mm²面积上有50~100个硬质点，分布于共晶体的边界上。V和Ti有一定的固熔量，有较好的强化基体作用。
　　除上述几种起强化作用的合金元素外，球墨铸铁中另外几个常规元素，如碳、硅、锰、磷、硫、稀土、镁等的含量也做了相应调整，以满足材质性能要求和特定的生产工艺条件的需要。力学性能见表1。

　　2.2、铸造工艺确定

　　多元素钒钛球墨铸铁活塞环铸造毛胚可采用双筒和筒体铸造，这与活塞环专业生产球墨铸铁毛胚无区别。造型采用机械或手工漏模，单一湿型砂。采用中频电炉熔化，主要炉料为钒钛生铁、普通铸造用生铁、废钢、回炉料、增碳石墨等。由于铸造小于0.2kg的薄小铸件需要强化孕育处理，故铁水熔化温度较高，约1550~1600℃。球化处理采用堤坝式冲入法。因铁水化学成分有干扰球化元素钛的存在，而且铸件薄小，壁厚约4mm，需选择适宜的球化剂，即中镁低稀土，含钡球化剂。孕育处理选择硅鍶孕育剂，采用球化包冲入一次孕育、浇注包冲入二次孕育和型内孕育，以确保球状石墨细小园整，并抑制游离渗碳体的出现。浇注温度较普通球墨铸铁偏高，为1380~1420℃，以保证铸件的完好。

　　３、多元素钒钛球墨铸铁或塞环的耐磨性能试验

　　进行了发动机模拟工矿进行对比试验，即对比活塞环装入发动机加载运行试验，和本公司自制活塞环装入发动机加载运行试验，即对比活塞环样件装入相应机型活塞上与配对缸套往复快磨试验，结果获得了稳定一致的试验数据，多元素钒钛球墨铸铁活塞环的耐磨性是普通球铁活塞环的1.19~1.45倍；是合金铸铁活塞环的1.15~1.37倍。对比材料的化学成分及硬度见表2，磨损试验结果见表3

注：钒钛合金为钒钛合金铸铁活塞环材质；对比合金为铬钼铜合金铸铁活塞环材质。

表3 活塞环磨损试验结果

　　4、 多元素钒钛球墨铸铁活塞环的耐磨机理讨论
　　内燃机活塞环，气缸套组成一对摩擦副，该摩擦副的各种摩擦形式都伴随磨粒磨损。
　　除环境带入的外来物质外，缸套、活塞环的疲劳脱落是带来磨粒磨损的主要方面，也是发动机逐渐失效和发动机故障的主要原因。因此，尽量提高提高摩擦副的抗磨粒磨损能力，是提高活塞环使用寿命的关键。
　　由于普通球墨铸铁无论是铸态组织还是经热处理后的调质组织，均无耐磨粒磨损的碳化物硬质相，用以形成双层滑动面，因而不能形成良好的润滑油层，造成硬质颗粒极易嵌入活塞环材质表面，使得磨损加速，这正是普通球墨铸铁耐磨性、抗拉伤擦伤性差的主要原因，普通球墨铸铁活塞环工矿下的摩擦面状态示意图见图4。
　　

　　从图4可知，由于普通球墨铸铁活塞环材料无耐磨硬质相组元，因而不能行成两个滑动面，以形成滑动面润滑油膜，只能靠球状石墨的自润滑和石墨剥落后的洞穴储油效果，故一般不能不能直接应用于配对摩擦副，必须采用表面镀鉻和合金元素的喷涂工艺，以保证其耐磨性要求。
　　多元素钒钛球墨铸铁活塞环材质在以下几个方面体现出优良的耐磨性和与配对摩擦副良好的适应性。
　　(1) 形成高硬度抗磨粒磨损的硬质相碳氮化钒和碳氮化钛，并以此形成第一滑动面和基体组织油膜第二滑动面，加之球状石墨的自润滑和球墨脱落后的洞穴储计油效果与缸套形成理想耐磨工作状态，多元素钒钛球墨铸铁活塞环工作表面工矿示意图见图5。

图5、多元素钒钛球铁工作表面工况示意图

　　(2) 由于铜、铬、钒、钛等强化合金元素的加入使基体组织得以进一步强化，被缸套材质硬质相剥落成屑导致磨料磨损倾向得到有效的克制。
　　(3) 由于形成的钒钛硬质相有较好的硬度1200~1800HV，这与缸套材质中磷硼化硬质相1100HV或其它经表面处理的缸套工作面硬度较为接近，因而多元素钒钛球墨铸铁活塞环材质与配对摩擦副有良好的匹配效果。
　　上述三点可归纳为多元素钒钛球墨铸铁活塞环材质，以高硬度、硬质相（含碳的氮化钒和氮化钛）形成耐磨损前沿，以合金硬化的回火马氏体组是作基底，故不易被配对缸套材料磨损，体现其自身的耐磨性；又因硬质相具有适宜的硬度值且块度细小、坚固，可显著降低对缸套工作面的磨损倾向，这是其具有良好的自身耐磨性和优良的摩擦副耐磨性能的关键所在。

　　５、结论

　　(1) 多元素钒钛球墨铸铁的耐磨性是普通球墨铸铁活塞环的的1.19~1.45倍，由于其优良的抗弯强度、抗折断性和较合金铸铁类活塞环更为优良的耐磨性，因而多元素钒钛球墨铸铁是合金铸铁活塞环使用寿命的1.15倍以上。
　　(2) 多元素钒钛球墨铸铁活塞环铸造工艺，通过选择适当的球化剂、孕育剂，特别是
化孕育处理，保证优良的球状石墨。理想的钒钛碳氮化硬质相，形态与分布，以及有效地消除铸态游离渗碳体，可以获得产品的优良性能。
　　(3) 这种集高抗弯强度、高韧性、高耐磨于一身的工程材料具有广泛的推广应用价值。

参考文献

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