鈮鉻合金鑄鐵活塞環(huán)金相組織
活塞環(huán)是發(fā)動機(jī)主要零件之一，也稱為心臟零件，它在發(fā)動機(jī)中處于高溫、高壓、磨料磨損和磨蝕介質(zhì)的條件下工作。隨著發(fā)動機(jī)向高速大功率發(fā)展，活塞環(huán)的工作條件更加苛刻，活塞環(huán)*終失去工作能力，則是由于磨損嚴(yán)重、彈力消失及功率過大所造成。而活塞環(huán)耐磨性和彈力與鑄鐵活塞環(huán)金相組織密切相關(guān)，金相組織的好壞直接影響活塞環(huán)的機(jī)械性能和使用壽命。
為達(dá)到設(shè)計要求、保證活塞環(huán)的各種機(jī)械性能，如硬度、彈力、抗彎強(qiáng)度、彈力保持性和熱穩(wěn)定性等，必須具有良好的金相組織，這樣才能使發(fā)動機(jī)始終處于良好的工作狀態(tài)。
采用鈮鉻合金鑄鐵這一新材料生產(chǎn)活塞環(huán)是有客觀前提的。經(jīng)生產(chǎn)試驗證明，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求，使用上海佰衡提供金相顯微鏡分析金相組織合格，這種鑄鐵活塞環(huán)的耐熱性、耐磨性優(yōu)良，韌性、強(qiáng)度較高，抗彎強(qiáng)度在50～55MPa以上，硬度適中(100～105HRB)，加工性良好，貼缸壓力理想，氣密性好，節(jié)油性好。根據(jù)這些特點，對其金相組織談一點看法和認(rèn)識。
1、石墨組織
活塞環(huán)采用單體鑄造、過共晶成分的鈮鉻合金鑄鐵，因而活塞環(huán)金相組織中石墨為過共晶石墨，主要是F型加細(xì)小A型、B型。這種石墨在半干和液體摩擦條件下磨損，但隨著石墨數(shù)量的增加而減少，因為石墨可以吸附和存留潤滑油，其本身是一種潤滑劑。石墨脫落后，其孔洞可儲藏磨料。但粗大的石墨會造成材料應(yīng)力集中(切口作用)和截面積縮減作用，這將降低鑄件的機(jī)械性能。石墨組織是影響活塞環(huán)彈性的主要因素，在基體組織相同時，適當(dāng)調(diào)整石墨的形狀、數(shù)量、大小及分布可獲得不同的性能。粗大石墨、過多的D、E型石墨、偏析型石墨均會使環(huán)的機(jī)械性能降低。試驗結(jié)果和生產(chǎn)實際表明，粗大的石墨，其彈性模數(shù)只有60000MPa左右，而且硬度較低(92HRB)，抗彎強(qiáng)度只有30MPa以下，這種石墨在生產(chǎn)中是不允許的。過多的D、E型石墨，也稱為共晶石墨或過冷石墨，這種石墨應(yīng)控制在不超過視野面積的35％，若超過則會影響基體組織。隨著D、E型石墨的不斷產(chǎn)生，將伴隨著大量的鐵素體出現(xiàn)，有時還會產(chǎn)生滲碳體，使機(jī)械性能變差。尤其是在高硬度(108～110HRB)．彈性模數(shù)13000MPa時，實際生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象。
理想的石墨組織為中等F型加細(xì)小A、B型均勻分布。這種石墨具有良好的使用性能，其彈性模數(shù)為85000～100000MPa以上。行車15萬公里仍能保持良好的機(jī)械性能．磨損量很小。
在實際生產(chǎn)過程中，有時會出現(xiàn)團(tuán)球狀石墨加細(xì)小A、B型石墨，均勻分布。這種石墨組織在生產(chǎn)中出現(xiàn)的幾率較多，其機(jī)械性能良好．彈性模數(shù)在100000MPa左右，抗彎強(qiáng)度35MPa，硬度100～103HRB，高溫下工作彈力保持率在93％以上。這種石墨在國外汽車活塞環(huán)生產(chǎn)中應(yīng)用較多．如日本帝國PT、意大利FIAT、美國CHEVROCET等，并認(rèn)為該型石墨是理想的石墨組織。
2、鐵素體
關(guān)于鐵素體．幾乎所有生產(chǎn)活塞環(huán)的廠家．其標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件中都對鐵素體有一致的看法，即允許有均勻分布的小顆粒狀鐵素體，數(shù)量不超過所占視野的3％～5％。在實際生產(chǎn)中，多數(shù)國家對顆粒狀鐵索體一般都控制在3％～10％。因為過多的鐵索體會引起氣缸和缸套的擦傷、拉缸，降低發(fā)動機(jī)的功率，影響整車性能。從我廠生產(chǎn)實際情況出發(fā)，游離鐵索體的含量控制在3％以內(nèi)。
3、磷共晶組織
在活塞環(huán)中．磷共晶的結(jié)晶溫度大約在950℃左右，其嵌入基體中間可以起網(wǎng)絡(luò)支承載荷的骨架作用。它能減小磨損系數(shù)，增加耐磨性，并能抵擋共晶石墨和鐵索體的有害作用。磷共晶按其相對的結(jié)構(gòu)可分為二元磷共晶(α+Fe+Fe3P)、三元磷共晶(α+Fe+Fe3P+Fe3C)及復(fù)合物(α+Fe+Fe3P+合金碳化物)等三種形式．在活塞環(huán)中：磷共晶體存在形式并不十分重要，而主要在于磷共晶體的形狀、大小、數(shù)量和分布特征。理想的磷共晶體應(yīng)為均勻分布的連續(xù)網(wǎng)狀或斷續(xù)網(wǎng)或單獨存在的小塊狀。其鏈長應(yīng)力求小于150μm，不允許有粗長的集聚的大塊存在，磷共晶的網(wǎng)孔不應(yīng)過大。鈮鉻合金鑄鐵活塞環(huán)磷共晶組織是一種硬度較高的金相組織，其布氏硬度為500～600HBS，呈均勻分布的中小塊狀。磷共晶是僅次于鈮化物的滑動支承面．起很重要的作用。因為磷共晶具有較高的硬度，因而其耐密性良好。但過多的粗長磷共晶會導(dǎo)致硬度過高．加大脆性，從而使整體活塞環(huán)容易斷裂。
4、基體組織
鈮鉻合金鑄鐵活塞環(huán)的基體組織為索氏體型珠光體和細(xì)小片狀珠光體．其片間距應(yīng)小于0.8mm，這樣才能有利于鈮化物的彌散析出和鑲嵌牢固。國內(nèi)允許活塞環(huán)基體組織中有針狀組織存在。但鈮鉻合金鑄鐵活塞環(huán)中出現(xiàn)的幾率極少。這是因為針狀組織是一種穩(wěn)定組織．在高溫下產(chǎn)生相變。
5、鈮化物(鈮、鉭、碳、氮化合物)
在鈮鉻合金鑄鐵活塞環(huán)中．鈮化物在理論上．以及道路行車、臺架試驗的結(jié)果表明。其耐磨性都高于其它牌號合金鑄鐵。其機(jī)理是。在金相組織中有大量的、彌散均勻分布的高硬度鈮化物(硬度為2200～3000HV)，并鑲嵌在**、三滑動面的索氏體型珠光體及磷共晶組織之中，形成了硬質(zhì)點作用的抗彎**滑動面，與索氏體型珠光體、磷共晶體組成了良好的耐磨結(jié)構(gòu)。鈮化物的形態(tài)及分布將直接反映鈮環(huán)質(zhì)量的好壞。從試驗結(jié)果和多年生產(chǎn)實際來看，*為理想的鈮化物應(yīng)為均勻分布的細(xì)小粒狀，*大直徑應(yīng)不大于8μm。鈮化物的數(shù)量，上海佰衡建議一般控制在每平方毫米大于l000粒。鈮化物粒度過大，則鑲嵌不牢，在工作過程中容易造成脫落。脫落下的塊狀鈮化物在汽缸中作為高硬度磨料。將造成“拉缸”，因此鈮化物的粒度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。此外，過多密集分布的鈮化物將造成鑄件的局部硬度偏高，使同一片環(huán)的硬度差超出技術(shù)要求。