铸铁活塞环的微观缺陷及其分析

铸铁活塞环的微观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3X 106~

4X 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1 984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-IO/150型压缩机二级环（①150mn X 5.4mm X 4mn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HT30Q 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<4.5mm时，石墨长度应

> 150um径向厚度>4.5mm石墨长度应> 180um这里主要还是控制石墨不要过分粗大。

图1 A型石墨，长度〜O.20mm 100X

图2 星状（F型）+过冷石墨（D型）100X

2. 过冷石墨

过冷石墨是活塞环不希望有的组织，它一般出现在单体铸造活塞环上，因为单体

铸造活塞环断面尺寸较小，铸造后冷却较快，所以很容易形成较多的过冷石墨。过冷石墨是未经侵蚀的金相试样在100 倍光学显微镜下所观察到的点状石墨群。由于它是共晶温度下生成的，所以又称共晶石墨。过冷石墨的生成一般是由于铁水过热或静置时间过长、或者浇注温度过低，在活塞环的边角处冷速大增加了过冷度，使结晶核心增多，碳原子来不及充分析出即被奥氏体所包围，最后形成点状石墨。灰铸铁金相标准将过冷石墨分为D 型和E型两种。D型石墨是指点、片枝晶间石墨呈无方向分布（图2），而E型石墨是指短小的片状枝晶间石墨呈有方向分布。由于E型石墨分布不均，且有

明显的无石墨区，易使活塞环脆断，故影响较劣。同时由于过冷石墨的存在，还会随之有伴生的铁素体产生，因而加剧了铸件的磨损，一般单体铸造活塞环过冷石墨含量控制在＜20%,过冷石墨数量太多，还会造成弹力增高。产生这种缺陷的原因主要是：单体铸造活塞环铸造后冷却较快，孕育不足和合金元素含量较高所致。

3. 过量的铁素体

铁素体是一个比较软的相,它的出现对铸铁的强度、硬度及弹性和耐磨性都不利。GB3509-83内燃机筒体铸造活塞环金相检验标准中规定：游离铁素体的含量在放大500 倍下其数量应不大于视场面积的3%。由于铁素体生成的条件和方式不同,可以分为初生铁素体和次生铁素体两种。初生铁素体是因铁水的含硅量较高,在缓慢的冷却条件下,直接从铸铁溶液中结晶并与石墨一起出现的铁素体（图3）。

次生铁素体则系铁水含硅量太低而碳化物元素较高，

在较快的冷却速度下, 通过先形成含硅的复合碳化物，然后分解，伴随着 “共晶”石墨出现的铁素 体（图4）。铁素体产生的主要原因是铸铁中含碳、 硅量较高以及较多的石墨化 元素存在时，促进了 Fe3C 的分解，铁水出炉温度太高，铸造时过慢或者过快 的冷却都可以导致铁素体的产生。

4.

粗片状珠光体图3 索氏体型珠光体+铁素体

溶液侵蚀

500X 4%硝酸酒精

图4 索氏体型珠光体+铁素体

500X 4 %硝酸酒精溶液侵

活塞环的基体组织应以珠光体为基，而且珠光体的致密度越细越好，最好活塞环的基体组织是索氏体型或细片状珠光体，以利活塞环的硬度和强度的提高，耐磨性更好。因此在检验中对珠光体的致密度（片间距）必须进行控制, 即允许索氏体型或细片状珠光体，而不允许存在较粗片状珠光体（片间距＞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

（①480m M 14.5mn K 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500X 4%硝酸酒精溶液侵

图6 索氏体型珠光体+ 渗碳体和莱氏体500X 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=9O0而硼的碳化物HV=1OO0- 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