浅述球墨铸铁活塞环的特性和工艺处理
活塞环在发动机中起密封、传热和支承等作用，因此要求活塞环有良好的耐磨性、弹性和热稳定性，尤其是对一道环要求更高。球墨铸铁活塞环的开发和应用是活塞环制造史上质的飞跃。如何稳定地制造球墨铸铁活塞环是活塞环行业面临的难题。为了解决这一难题，本厂从德国goetzea引进了单体双片铸造球墨铸铁活塞环的全部技术和相关设备。
如图1所示，单体双片铸造的设计指导思想是利用铣刀把铸坯的中心缩松及容易产生针孔、夹渣缺陷的上下表面铣削，从而获得优良的球墨铸铁活塞环。这种铸造方式国外已经得到广泛的应用，并且具有丰富的生产经验，国内许多厂家也接受并开始了试制，但还不很成功。其主要原因是原材料问题及球墨铸铁活塞环的生产工艺过于复杂，很难确保球墨铸铁活塞环的基体组织，不能保证铸件的合格率。虽然本厂引进了全部铸造的软硬件，但是在原材料供应、生产工艺等方面还存在许多问题，试制初期也经常出现球化率不高、球数合格率达不到要求等情况。经过试制和摸索，基本上掌握了适合本厂的生产工艺，较全面地解决了球墨铸铁活塞环铸造上的技术问题，从而确保了球墨铸铁活塞环铸件的合格率。下面简要介绍本厂是如何试制球墨铸铁活塞环的。
1工艺可行性分析
德国专家一再强调“球墨铸铁活塞环生产的关键在于原材料”，没有合格的原材料是很难生产好球墨铸铁活塞环的。他们强调采用高纯生铁或合成生铁，其成分为：38%～43%c，02%～04%si，004%～015%mn，p<0045%，s<001%，其它元素不得超过003%〔1〕。而国内无此种新生铁资源，国内有可能供应的生铁成分为：38%～43%c，08%～13%si，02%～05%mn，p<007%，s<003%。这种生铁影响球化处理的关键元素mn，p、s超高，给球墨铸铁活塞环的生产带来很大的不利因素。目前国内想找到满足要求的原材料矿源或合成生铁是很困难的，引进原材料也不现实。因此在选择原材料时，应尽可能符合国外要求，试验选用的生铁成分：40%～42%c，080%～09%si，020%～04%mn，004%～006%p，s<0026%。这种生铁与国外要求的生铁比较有如下几个特点：①硅量超高04%～06%。由于使用中频炉熔炼，虽会限制回炉料的回收和利用，但还不会构成太大威胁。②含锰量超高014%～02%。较高的含锰量会影响铸态组织的控制，随后的铸坯铁素体化退火处理可解决这一难关。但过多的渗碳体出现将会影响球化的合格率及热处理前后的尺寸控制。③含磷量尚可。即使以后使用的新生铁含磷量稍高(<007%)，也不足以影响金相组织与力学性能。如含磷量太高，会导致铸件含磷量>01%，就会在晶界产生磷共晶，使强度、韧性、塑性降低。④含硫量超高0016%以上。较高的含硫量会直接消耗球化剂的用量，特别是凝固期间溶解态的硫对石墨球化的影响，会直接影响球化处理的效果，降低力学性能，增加铸造缺陷(夹渣、皮下气孔等)。
碳硫分析仪的使用为及时掌握原铁液的含硫量，正确控制球化剂的加入量创造了条件，同时m孕育剂的使用也为球墨铸铁活塞环的生产起到了辅助作用。经过以上工艺分析，采用国内的原材料是能够生产出合乎国外要求的球墨铸铁活塞环的。
2工艺性试验及分析
采用40%～100%上述成分的生铁，60%以下的回炉料，在150kg中频炉中熔炼。加强操作工艺，确保球化温度达1500～1550℃，从铁液出炉至浇注完毕的时间控制在10min之内，确保球化效果。
2.1球化处理
使用定制的球化剂，成分如下：38%～48%si，50%～65%mg，re≤10%，al≤10%。粒度：5～40mm。此种球化剂与国内常用的稀土硅铁镁合金或稀土硅铁镁钙合金球化剂比较，其含镁量低于前者，又高于后者。球化反应较平和，且在保证球化效果的前提下能较好地控制球化剂的加入量，保证球化剂的吸收率，并且较好地控制铁液温度的下降。另外，使用的球化剂稀土元素含量极低，从而使球化处理后铁液中残留稀土量不致过高，减少渗碳体的形成；而残留在铁液中的微量稀土元素既可抑制球化干扰元素的作用，又可以提高孕育时的成核率。
经过一系列的试验发现，活塞环不同的v/o比(断面面积与周长之比)所需球化剂的加入量不同；不同的原铁液含硫量所需球化剂的加入量也不同。球化剂的加入量是烧损量、去硫耗镁量与残余镁量的总和。
由于原铁液出炉温度、球化处理方式、停留时间的长短都将影响镁的损耗量，为了正确控制球化剂的加入量，对生产中变化较大的因素加以控制，球化温度应控制在1500～1550℃(最佳在1530～1550℃)，球化剂加入采用凹坑包底冲入法，球化处理后浇注时间不超过8min(最佳控制在6min内)。在操作周期和工艺基本不变的情况下，认为镁的烧损量基本一致。由于原铁液含硫量较高，不可能达到<0018%的要求，球化剂的加入量需考虑去硫耗镁量。碳硫分析仪的快速测定，能及时提供原铁液的含硫量，试验中原铁液的含硫量在002%～003%，去硫耗镁量在00076%上下波动，这在工艺上是可以接受的。
球化剂的用量直接影响残余镁量的多少。如果球化剂加入量过多，就会引起残余镁量过多，虽然不致于影响球化合格率(球径大小仍属正常)，但是它会增加收缩，引起脆性。同时由于原铁液含锰量偏高，球化剂加入量过多，较易出现碳化物，白口倾向严重，导致球数合格率的下降；如果球化剂加入量过少，就会导致残余镁量不足，影响球化的合格率，球数合格率也会降低。表1是在正常试验情况下的结果，并说明如下：①球化剂加入量14%时，由于残余镁量不足，出现蠕虫状石墨；②加入量18%时，由于残余镁量过多，出现碳化物，导致球数下降，不过二者球径大小仍合乎要求；③球化合格率非球化率。
2.2孕育处理
球墨铸铁活塞环生产中使用的孕育剂是特制的混合孕育剂，由定制的s孕育剂和m孕育剂按一定比例混合而成。对单体双片球墨铸铁活塞环的孕育效果明显好于常用的fesi75孕育剂。试验中使用的s孕育剂成分为：73%～78%si，07%～10%sr，06%～10%ca，al≤10%。m孕育剂成分为：43%～47%si，10%～15%mg，06～09%ca，al≤10%。
混合孕育剂的最大特点是不仅能较好地防止铸态白口，促使生成铁素体，细化石墨球，减少铸造缺陷，而且特有的球化元素mg、sr、ca在铁液温度相对较低情况下的微量补充，不但能显著增加石墨球的数量，而且能稳定球化，使球形更圆整。表2是不同孕育剂加入量对球化处理合格的铁液进行孕育的结果。对表2结果说明如下：①球数合格率是在球化合格基础上统计的；②孕育剂加入量<04%时，石墨核心逐渐减少，石墨球变大，数量减少，圆整度变差，出现自由渗碳体；③孕育剂加入量05%时球数不再增加，但总的石墨含量增多，球径加大，有开花现象；④加入量06%时石墨球开花现象严重，由于相对含硅量增多，碳当量过高，出现了石墨漂浮现象。
总之，适当的孕育剂加入量，并采取瞬时孕育快速浇注，既可保证基体组织，又能有效地消除自由渗碳体，并且可使磷共晶弥散，降低终硅含量，有利于韧性的提高。从表2也可看出，最佳的混合孕育剂加入量为04%。
3原铁液碳、硅的控制
3.1碳量
球墨铸铁活塞环中的碳不象灰铸铁环那样损害力学性能，只要不产生石墨漂浮，选择高碳反而有利：①碳高石墨结晶晶核多，使石墨球细化，能提高球的圆整度；②碳高石墨化膨胀大，使活塞环更致密，可减少缩性；③碳高使球墨铸铁更接近共晶成分，有利于流动性的提高。但是过高的碳量，也就是超过共晶点的碳量会导致开花状石墨，使形态恶化，严重时会出现石墨漂浮，铁液流动性亦由此下降，铸环上表面气孔缺陷增多。视环样v/o值，碳量宜控制在365%～38%。
3.2硅量
硅是强烈的石墨化元素，由孕育剂进入铁液中的硅比铁液中原有硅的石墨化能力更强。由于活塞环在铸型中的冷却速度非常快，只有达到goetze技术条件规定的石墨球数(>30000球粒/cm2)才有可能达到铸态基体组织中渗碳体<5%。所以孕育是至关重要的，应选择如上所述的有强烈孕育作用的孕育剂，但用量不宜超过06%，以免出现开花状石墨。为具有足够的石墨化能力，视环样v/o比值，总硅量宜在24%～28%，扣除孕育剂、球化剂中带入的硅，控制原铁液中的硅含量见表3。
4生产情况
目前，本厂已较成功地应用中频炉及电弧炉生产出桑塔纳轿车、“xf157”、“6105”等多种主机的单体双片球墨铸铁活塞环，其金相组织(球化合格率、石墨球数合格率及球径大小)均达到了国外同等要求，铸件废品率也极低，最终的球墨铸铁活塞环产品有较好的力学性能，满足了用户的需要。
如图1所示，单体双片铸造的设计指导思想是利用铣刀把铸坯的中心缩松及容易产生针孔、夹渣缺陷的上下表面铣削，从而获得优良的球墨铸铁活塞环。这种铸造方式国外已经得到广泛的应用，并且具有丰富的生产经验，国内许多厂家也接受并开始了试制，但还不很成功。其主要原因是原材料问题及球墨铸铁活塞环的生产工艺过于复杂，很难确保球墨铸铁活塞环的基体组织，不能保证铸件的合格率。虽然本厂引进了全部铸造的软硬件，但是在原材料供应、生产工艺等方面还存在许多问题，试制初期也经常出现球化率不高、球数合格率达不到要求等情况。经过试制和摸索，基本上掌握了适合本厂的生产工艺，较全面地解决了球墨铸铁活塞环铸造上的技术问题，从而确保了球墨铸铁活塞环铸件的合格率。下面简要介绍本厂是如何试制球墨铸铁活塞环的。
1工艺可行性分析
德国专家一再强调“球墨铸铁活塞环生产的关键在于原材料”，没有合格的原材料是很难生产好球墨铸铁活塞环的。他们强调采用高纯生铁或合成生铁，其成分为：38%～43%c，02%～04%si，004%～015%mn，p<0045%，s<001%，其它元素不得超过003%〔1〕。而国内无此种新生铁资源，国内有可能供应的生铁成分为：38%～43%c，08%～13%si，02%～05%mn，p<007%，s<003%。这种生铁影响球化处理的关键元素mn，p、s超高，给球墨铸铁活塞环的生产带来很大的不利因素。目前国内想找到满足要求的原材料矿源或合成生铁是很困难的，引进原材料也不现实。因此在选择原材料时，应尽可能符合国外要求，试验选用的生铁成分：40%～42%c，080%～09%si，020%～04%mn，004%～006%p，s<0026%。这种生铁与国外要求的生铁比较有如下几个特点：①硅量超高04%～06%。由于使用中频炉熔炼，虽会限制回炉料的回收和利用，但还不会构成太大威胁。②含锰量超高014%～02%。较高的含锰量会影响铸态组织的控制，随后的铸坯铁素体化退火处理可解决这一难关。但过多的渗碳体出现将会影响球化的合格率及热处理前后的尺寸控制。③含磷量尚可。即使以后使用的新生铁含磷量稍高(<007%)，也不足以影响金相组织与力学性能。如含磷量太高，会导致铸件含磷量>01%，就会在晶界产生磷共晶，使强度、韧性、塑性降低。④含硫量超高0016%以上。较高的含硫量会直接消耗球化剂的用量，特别是凝固期间溶解态的硫对石墨球化的影响，会直接影响球化处理的效果，降低力学性能，增加铸造缺陷(夹渣、皮下气孔等)。
碳硫分析仪的使用为及时掌握原铁液的含硫量，正确控制球化剂的加入量创造了条件，同时m孕育剂的使用也为球墨铸铁活塞环的生产起到了辅助作用。经过以上工艺分析，采用国内的原材料是能够生产出合乎国外要求的球墨铸铁活塞环的。
2工艺性试验及分析
采用40%～100%上述成分的生铁，60%以下的回炉料，在150kg中频炉中熔炼。加强操作工艺，确保球化温度达1500～1550℃，从铁液出炉至浇注完毕的时间控制在10min之内，确保球化效果。
2.1球化处理
使用定制的球化剂，成分如下：38%～48%si，50%～65%mg，re≤10%，al≤10%。粒度：5～40mm。此种球化剂与国内常用的稀土硅铁镁合金或稀土硅铁镁钙合金球化剂比较，其含镁量低于前者，又高于后者。球化反应较平和，且在保证球化效果的前提下能较好地控制球化剂的加入量，保证球化剂的吸收率，并且较好地控制铁液温度的下降。另外，使用的球化剂稀土元素含量极低，从而使球化处理后铁液中残留稀土量不致过高，减少渗碳体的形成；而残留在铁液中的微量稀土元素既可抑制球化干扰元素的作用，又可以提高孕育时的成核率。
经过一系列的试验发现，活塞环不同的v/o比(断面面积与周长之比)所需球化剂的加入量不同；不同的原铁液含硫量所需球化剂的加入量也不同。球化剂的加入量是烧损量、去硫耗镁量与残余镁量的总和。
由于原铁液出炉温度、球化处理方式、停留时间的长短都将影响镁的损耗量，为了正确控制球化剂的加入量，对生产中变化较大的因素加以控制，球化温度应控制在1500～1550℃(最佳在1530～1550℃)，球化剂加入采用凹坑包底冲入法，球化处理后浇注时间不超过8min(最佳控制在6min内)。在操作周期和工艺基本不变的情况下，认为镁的烧损量基本一致。由于原铁液含硫量较高，不可能达到<0018%的要求，球化剂的加入量需考虑去硫耗镁量。碳硫分析仪的快速测定，能及时提供原铁液的含硫量，试验中原铁液的含硫量在002%～003%，去硫耗镁量在00076%上下波动，这在工艺上是可以接受的。
球化剂的用量直接影响残余镁量的多少。如果球化剂加入量过多，就会引起残余镁量过多，虽然不致于影响球化合格率(球径大小仍属正常)，但是它会增加收缩，引起脆性。同时由于原铁液含锰量偏高，球化剂加入量过多，较易出现碳化物，白口倾向严重，导致球数合格率的下降；如果球化剂加入量过少，就会导致残余镁量不足，影响球化的合格率，球数合格率也会降低。表1是在正常试验情况下的结果，并说明如下：①球化剂加入量14%时，由于残余镁量不足，出现蠕虫状石墨；②加入量18%时，由于残余镁量过多，出现碳化物，导致球数下降，不过二者球径大小仍合乎要求；③球化合格率非球化率。
2.2孕育处理
球墨铸铁活塞环生产中使用的孕育剂是特制的混合孕育剂，由定制的s孕育剂和m孕育剂按一定比例混合而成。对单体双片球墨铸铁活塞环的孕育效果明显好于常用的fesi75孕育剂。试验中使用的s孕育剂成分为：73%～78%si，07%～10%sr，06%～10%ca，al≤10%。m孕育剂成分为：43%～47%si，10%～15%mg，06～09%ca，al≤10%。
混合孕育剂的最大特点是不仅能较好地防止铸态白口，促使生成铁素体，细化石墨球，减少铸造缺陷，而且特有的球化元素mg、sr、ca在铁液温度相对较低情况下的微量补充，不但能显著增加石墨球的数量，而且能稳定球化，使球形更圆整。表2是不同孕育剂加入量对球化处理合格的铁液进行孕育的结果。对表2结果说明如下：①球数合格率是在球化合格基础上统计的；②孕育剂加入量<04%时，石墨核心逐渐减少，石墨球变大，数量减少，圆整度变差，出现自由渗碳体；③孕育剂加入量05%时球数不再增加，但总的石墨含量增多，球径加大，有开花现象；④加入量06%时石墨球开花现象严重，由于相对含硅量增多，碳当量过高，出现了石墨漂浮现象。
总之，适当的孕育剂加入量，并采取瞬时孕育快速浇注，既可保证基体组织，又能有效地消除自由渗碳体，并且可使磷共晶弥散，降低终硅含量，有利于韧性的提高。从表2也可看出，最佳的混合孕育剂加入量为04%。
3原铁液碳、硅的控制
3.1碳量
球墨铸铁活塞环中的碳不象灰铸铁环那样损害力学性能，只要不产生石墨漂浮，选择高碳反而有利：①碳高石墨结晶晶核多，使石墨球细化，能提高球的圆整度；②碳高石墨化膨胀大，使活塞环更致密，可减少缩性；③碳高使球墨铸铁更接近共晶成分，有利于流动性的提高。但是过高的碳量，也就是超过共晶点的碳量会导致开花状石墨，使形态恶化，严重时会出现石墨漂浮，铁液流动性亦由此下降，铸环上表面气孔缺陷增多。视环样v/o值，碳量宜控制在365%～38%。
3.2硅量
硅是强烈的石墨化元素，由孕育剂进入铁液中的硅比铁液中原有硅的石墨化能力更强。由于活塞环在铸型中的冷却速度非常快，只有达到goetze技术条件规定的石墨球数(>30000球粒/cm2)才有可能达到铸态基体组织中渗碳体<5%。所以孕育是至关重要的，应选择如上所述的有强烈孕育作用的孕育剂，但用量不宜超过06%，以免出现开花状石墨。为具有足够的石墨化能力，视环样v/o比值，总硅量宜在24%～28%，扣除孕育剂、球化剂中带入的硅，控制原铁液中的硅含量见表3。
4生产情况
目前，本厂已较成功地应用中频炉及电弧炉生产出桑塔纳轿车、“xf157”、“6105”等多种主机的单体双片球墨铸铁活塞环，其金相组织(球化合格率、石墨球数合格率及球径大小)均达到了国外同等要求，铸件废品率也极低，最终的球墨铸铁活塞环产品有较好的力学性能，满足了用户的需要。
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