淺述球墨鑄鐵活塞環的特性和工藝處理
活塞環在發動機中起密封、傳熱和支承等作用，因此要求活塞環有良好的耐磨性、彈性和熱穩定性，尤其是對一道環要求更高。球墨鑄鐵活塞環的開發和應用是活塞環制造史上質的飛躍。如何穩定地制造球墨鑄鐵活塞環是活塞環行業面臨的難題。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的全部技術和相關設備。
如圖1所示，單體雙片鑄造的設計指導思想是利用銑刀把鑄坯的中心縮松及容易產生針孔、夾渣缺陷的上下表面銑削，從而獲得優良的球墨鑄鐵活塞環。這種鑄造方式國外已經得到廣泛的應用，并且具有豐富的生產經驗，國內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的生產工藝過于復雜，很難確保球墨鑄鐵活塞環的基體組織，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、生產工藝等方面還存在許多問題，試制初期也經常出現球化率不高、球數合格率達不到要求等情況。經過試制和摸索，基本上掌握了適合本廠的生產工藝，較全面地解決了球墨鑄鐵活塞環鑄造上的技術問題，從而確保了球墨鑄鐵活塞環鑄件的合格率。下面簡要介紹本廠是如何試制球墨鑄鐵活塞環的。
1工藝可行性分析
德國專家一再強調“球墨鑄鐵活塞環生產的關鍵在于原材料”，沒有合格的原材料是很難生產好球墨鑄鐵活塞環的。他們強調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〕。而國內無此種新生鐵資源，國內有可能供應的生鐵成分為：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鍵元素mn，p、s超高，給球墨鑄鐵活塞環的生產帶來很大的不利因素。目前國內想找到滿足要求的原材料礦源或合成生鐵是很困難的，引進原材料也不現實。因此在選擇原材料時，應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，但還不會構成太大威脅。②含錳量超高014%～02%。較高的含錳量會影響鑄態組織的控制，隨后的鑄坯鐵素體化退火處理可解決這一難關。但過多的滲碳體出現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性能。如含磷量太高，會導致鑄件含磷量>01%，就會在晶界產生磷共晶，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的硫對石墨球化的影響，會直接影響球化處理的效果，降低力學性能，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造了條件，同時m孕育劑的使用也為球墨鑄鐵活塞環的生產起到了輔助作用。經過以上工藝分析，采用國內的原材料是能夠生產出合乎國外要求的球墨鑄鐵活塞環的。
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，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。
經過一系列的試驗發現，活塞環不同的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，對生產中變化較大的因素加以控制，球化溫度應控制在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)。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，較易出現碳化物，白口傾向嚴重，導致球數合格率的下降；如果球化劑加入量過少，就會導致殘余鎂量不足，影響球化的合格率，球數合格率也會降低。表1是在正常試驗情況下的結果，并說明如下：①球化劑加入量14%時，由于殘余鎂量不足，出現蠕蟲狀石墨；②加入量18%時，由于殘余鎂量過多，出現碳化物，導致球數下降，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
球墨鑄鐵活塞環生產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量，而且能穩定球化，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果。對表2結果說明如下：①球數合格率是在球化合格基礎上統計的；②孕育劑加入量<04%時，石墨核心逐漸減少，石墨球變大，數量減少，圓整度變差，出現自由滲碳體；③孕育劑加入量05%時球數不再增加，但總的石墨含量增多，球徑加大，有開花現象；④加入量06%時石墨球開花現象嚴重，由于相對含硅量增多，碳當量過高，出現了石墨漂浮現象。
總之，適當的孕育劑加入量，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
球墨鑄鐵活塞環中的碳不象灰鑄鐵環那樣損害力學性能，只要不產生石墨漂浮，選擇高碳反而有利：①碳高石墨結晶晶核多，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致開花狀石墨，使形態惡化，嚴重時會出現石墨漂浮，鐵液流動性亦由此下降，鑄環上表面氣孔缺陷增多。視環樣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。由于活塞環在鑄型中的冷卻速度非常快，只有達到goetze技術條件規定的石墨球數(>30000球粒/cm2)才有可能達到鑄態基體組織中滲碳體<5%。所以孕育是至關重要的，應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%，以免出現開花狀石墨。為具有足夠的石墨化能力，視環樣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生產情況
目前，本廠已較成功地應用中頻爐及電弧爐生產出桑塔納轎車、“xf157”、“6105”等多種主機的單體雙片球墨鑄鐵活塞環，其金相組織(球化合格率、石墨球數合格率及球徑大小)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產品有較好的力學性能，滿足了用戶的需要。
如圖1所示，單體雙片鑄造的設計指導思想是利用銑刀把鑄坯的中心縮松及容易產生針孔、夾渣缺陷的上下表面銑削，從而獲得優良的球墨鑄鐵活塞環。這種鑄造方式國外已經得到廣泛的應用，并且具有豐富的生產經驗，國內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的生產工藝過于復雜，很難確保球墨鑄鐵活塞環的基體組織，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、生產工藝等方面還存在許多問題，試制初期也經常出現球化率不高、球數合格率達不到要求等情況。經過試制和摸索，基本上掌握了適合本廠的生產工藝，較全面地解決了球墨鑄鐵活塞環鑄造上的技術問題，從而確保了球墨鑄鐵活塞環鑄件的合格率。下面簡要介紹本廠是如何試制球墨鑄鐵活塞環的。
1工藝可行性分析
德國專家一再強調“球墨鑄鐵活塞環生產的關鍵在于原材料”，沒有合格的原材料是很難生產好球墨鑄鐵活塞環的。他們強調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〕。而國內無此種新生鐵資源，國內有可能供應的生鐵成分為：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鍵元素mn，p、s超高，給球墨鑄鐵活塞環的生產帶來很大的不利因素。目前國內想找到滿足要求的原材料礦源或合成生鐵是很困難的，引進原材料也不現實。因此在選擇原材料時，應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，但還不會構成太大威脅。②含錳量超高014%～02%。較高的含錳量會影響鑄態組織的控制，隨后的鑄坯鐵素體化退火處理可解決這一難關。但過多的滲碳體出現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性能。如含磷量太高，會導致鑄件含磷量>01%，就會在晶界產生磷共晶，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的硫對石墨球化的影響，會直接影響球化處理的效果，降低力學性能，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造了條件，同時m孕育劑的使用也為球墨鑄鐵活塞環的生產起到了輔助作用。經過以上工藝分析，采用國內的原材料是能夠生產出合乎國外要求的球墨鑄鐵活塞環的。
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，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。
經過一系列的試驗發現，活塞環不同的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，對生產中變化較大的因素加以控制，球化溫度應控制在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)。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，較易出現碳化物，白口傾向嚴重，導致球數合格率的下降；如果球化劑加入量過少，就會導致殘余鎂量不足，影響球化的合格率，球數合格率也會降低。表1是在正常試驗情況下的結果，并說明如下：①球化劑加入量14%時，由于殘余鎂量不足，出現蠕蟲狀石墨；②加入量18%時，由于殘余鎂量過多，出現碳化物，導致球數下降，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
球墨鑄鐵活塞環生產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量，而且能穩定球化，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果。對表2結果說明如下：①球數合格率是在球化合格基礎上統計的；②孕育劑加入量<04%時，石墨核心逐漸減少，石墨球變大，數量減少，圓整度變差，出現自由滲碳體；③孕育劑加入量05%時球數不再增加，但總的石墨含量增多，球徑加大，有開花現象；④加入量06%時石墨球開花現象嚴重，由于相對含硅量增多，碳當量過高，出現了石墨漂浮現象。
總之，適當的孕育劑加入量，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
球墨鑄鐵活塞環中的碳不象灰鑄鐵環那樣損害力學性能，只要不產生石墨漂浮，選擇高碳反而有利：①碳高石墨結晶晶核多，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致開花狀石墨，使形態惡化，嚴重時會出現石墨漂浮，鐵液流動性亦由此下降，鑄環上表面氣孔缺陷增多。視環樣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。由于活塞環在鑄型中的冷卻速度非常快，只有達到goetze技術條件規定的石墨球數(>30000球粒/cm2)才有可能達到鑄態基體組織中滲碳體<5%。所以孕育是至關重要的，應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%，以免出現開花狀石墨。為具有足夠的石墨化能力，視環樣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生產情況
目前，本廠已較成功地應用中頻爐及電弧爐生產出桑塔納轎車、“xf157”、“6105”等多種主機的單體雙片球墨鑄鐵活塞環，其金相組織(球化合格率、石墨球數合格率及球徑大小)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產品有較好的力學性能，滿足了用戶的需要。
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