球墨铸铁活塞环的铸造技术

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。

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：3 8%～4 3%C，0 2%～0 4%SI，0 04%～0 15%Mn，P<0 045%，S<0 01%，其它元素不得超过0 03%〔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：3 8%～4 3%C，0 8%～1 3%Si，0 2%～0 5%Mn，P<0 07%，S<0 03%。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：4 0%～4 2%C，0 80%～0 9%Si，0 20%～0 4%Mn，0 04%～0 06%P，S<0 026%。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0 4%～0 6%。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0 14%～0 2%。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(<0 07%)，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>0 1%，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0 016%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，5 0%～6 5%Mg，RE≤1 0%，Al≤1 0%。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<0 018%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0 02%～0 03%，去硫耗镁量在0 0076%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1 4%时，由于残余镁量不足，出现蠕虫状石墨；②加入量1 8%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。