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第一汽车集团公司铸模厂 张兴涛
活 塞环是发动机主要零件之一，也称为心脏零件。它在发动机中处于高温、高压、磨料磨损和磨蚀介质的条件下工作。随着发动机向高速大功率发展，活塞环的工作条 件更加苛刻，活塞环最终失去工作能力，则是由于磨损严重、弹力消失及功率过大所造成。而活塞环耐磨性和弹力与铸铁活塞环金相组织密切相关，金相组织的好坏 直接影响活塞环的机械性能和使用寿命。
为达到设计要求、保证活塞环的各种机械性能，如硬度、弹力、抗弯强度、弹力保持性和热稳定性等，必须具有良好的金相组织，这样才能使发动机始终处于良好的工作状态。
从1986年7月我厂正式转产CAl41汽车以来，活塞环材料采用了国际上很少使用的铌铬合金铸铁。目前，国内只有我厂采用这种新材料生产活塞环，国外也只有日本帝国活塞环公司生产这种材料的活塞环，而且生产批量很少。
采 用铌铬合金铸铁这一新材料生产活塞环是有客观前提的。经生产试验证明，各项指标均达到了设计要求，金相组织合格，这种铸铁活塞环的耐热性、耐磨性优良，韧 性、强度较高，抗弯强度在50～55MPa以上，硬度适中(100～105HRB)，加工性良好，贴缸压力理想，气密性好，节油性好。根据这些特点，对其 金相组织谈一点看法和认识。
1 石墨组织
活塞环采用单体铸造、过共晶成分的铌铬合金铸铁，因而活塞环金 相组织中石墨为过共晶石墨，主要是F型加细小A型、B型。这种石墨在半干和液体摩擦条件下磨损，但随着石墨数量的增加而减少，因为石墨可以吸附和存留润滑 油，其本身是一种润滑剂。石墨脱落后，其孔洞可储藏磨料。但粗大的石墨会造成材料应力集中(切口作用)和截面积缩减作用，这将降低铸件的机械性能。石墨组 织是影响活塞环弹性的主要因素，在基体组织相同时，适当调整石墨的形状、数量、大小及分布可获得不同的性能。粗大石墨、过多的D、E型石墨、偏析型石墨均 会使环的机械性能降低。试验结果和生产实际表明，粗大的石墨(如图1)，其弹性模数只有60000MPa左右，而且硬度较低(92HRB)，抗弯强度只有 30MPa以下，这种石墨在生产中是不允许的。过多的D、E型石墨，也称为共晶石墨或过冷石墨，这种石墨应控制在不超过视野面积的35％(如图2)，若超 过则会影响基体组织。随着D、E型石墨的不断产生，将伴随着大量的铁素体出现，有时还会产生渗碳体，使机械性能变差。尤其是在高硬度 (108～110HRB)．弹性模数13000MPa时，实际生产过程中会出现拉缸现象。
图l ×100 图2 ×100
理想的石墨组织为中等F型加细小A、B型均匀分布(如图3)。 这种石墨具有良好的使用性能，其弹性模数为85000～100000MPa以上。行车15万公里仍能保持良好的机械性能．磨损量很小。
在 实际生产过程中，有时会出现团球状石墨加细小A、B型石墨，均匀分布(如图4)。这种石墨组织在生产中出现的几率较多，其机械性能良好．弹性模数在 100000MPa左右，抗弯强度35MPa，硬度100～103HRB，高温下工作弹力保持率在93％以上。这种石墨在国外汽车活塞环生产中应用较多． 如日本帝国PT、意大利FIAT、美国CHEVROCET等，并认为该型石墨是理想的石墨组织。
图3 ×lOO 图4 ×100
2 铁素体
关 于铁素体．几乎所有生产活塞环的厂家．其标准和技术条件中都对铁素体有一致的看法，即允许有均匀分布的小颗粒状铁素体，数量不超过所占视野的3％～5％。 在实际生产中，多数国家对颗粒状铁索体一般都控制在3％～10％。因为过多的铁索体会引起气缸和缸套的擦伤、拉缸，降低发动机的功率，影响整车性能。从我 厂生产实际情况出发，游离铁索体的含量控制在3％以内。
3 磷共晶组织
在活塞环中．磷共晶的结晶温度大约在950℃左右，其嵌入基体中间可以起网络支承载荷的骨架作用。它能减小磨损系数，增加耐磨性，并能抵挡共晶石墨和铁索体的有害作用。磷共晶按其相对的结构可分为二元磷共晶(α+Fe+Fe3P)、三元磷共晶(α+Fe+Fe3P+Fe3C)及复合物(α+Fe+Fe3P+ 合金碳化物)等三种形式．在活塞环中：磷共晶体存在形式并不十分重要，而主要在于磷共晶体的形状、大小、数量和分布特征。理想的磷共晶体应为均匀分布的连 续网状或断续网或单独存在的小块状。其链长应力求小于150μm，不允许有粗长的集聚的大块存在，磷共晶的网孔不应过大。铌铬合金铸铁活塞环磷共晶组织 (见图5)是一种硬度较高的金相组织，其布氏硬度为500～600HBS，呈均匀分布的中小块状。磷共晶是仅次于铌化物的滑动支承面．起很重要的作用。因 为磷共晶具有较高的硬度，因而其耐密性良好。但过多的粗长磷共晶会导致硬度过高．加大脆性，从而使整体活塞环容易断裂。
图5 ×500
4 基体组织
铌 铬合金铸铁活塞环的基体组织为索氏体型珠光体和细小片状珠光体．其片间距应小于0.8mm，这样才能有利于铌化物的弥散析出和镶嵌牢固。国内允许活塞环基 体组织中有针状组织存在。但铌铬合金铸铁活塞环中出现的几率极少。这是因为针状组织是一种稳定组织．在高温下产生相变，因此我厂不允许有针状组织存在．
5 铌化物(铌、钽、碳、氮化合物)
在 铌铬合金铸铁活塞环中．铌化物在理论上．以及道路行车、台架试验的结果表明。其耐磨性都高于其它牌号合金铸铁。其机理是。在金相组织中有大量的、弥散均匀 分布的高硬度铌化物(硬度为2200～3000HV)，并镶嵌在第二、三滑动面的索氏体型珠光体及磷共晶组织之中，形成了硬质点作用的抗弯第一滑动面，与 索氏体型珠光体、磷共晶体组成了良好的耐磨结构。铌化物的形态及分布将直接反映铌环质量的好坏。从试验结果和多年生产实际来看，最为理想的铌化物应为均匀 分布的细小粒状，最大直径应不大于8μm。铌化物的数量，我厂一般控制在每平方毫米大于l000粒(如图6)。铌化物粒度过大(如图7)．则镶嵌不牢．在 工作过程中容易造成脱落。脱落下的块状铌化物在汽缸中作为高硬度磨料。将造成“拉缸”．因此铌化物的粒度应控制在一定范围内。此外，过多密集分布的铌化物 将造成铸件的局部硬度偏高，使同一片环的硬度差超出技术要求。
图6 ×500 图7 ×500
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