活塞耐磨镶环用高镍蠕铁组织性能的研究

摘要

由于活塞直接与高温高压燃气相接触，承受着较高热负荷和机械负荷，耐磨镶环也在腐蚀条件较苛刻的缸套内高速往复运动，耐磨镶环的工作环境十分恶劣。在保证发动机运行稳定、安全的前提下，为使发动机向着高功率、轻量化、低油耗的方向发展，本课题对活塞耐磨镶环的材料进行一定的研究改进工作，尝试将高镍奥氏体蠕墨铸铁材料代替原有高镍奥氏体灰铸铁来生产活塞耐磨镶环，为将来的发动机材料发展提供一定的试验数据和理论支持。
　　耐磨镶圈以离心铸造方法居多，本文也采用了这种经济、简便的工艺方法。采用不同剂量(1％、0.8％、0.6％、0.55％、0.5％、0.4％)及不同种类的蠕化剂（A型、B型）对铁液进行蠕化变质处理，此后进行离心铸造。采用扫描电子显微镜和光学显微镜观察接头显微组织，并用能谱分析仪进行点成分分析，确定合理的蠕化剂加入量。
　　通过研究所得试样的石墨形态，测量其中各组试样的化学成分并与蠕化前试样成分进行对比，分析知其中起主要作用的为稀土元素，Mg及Ni、Fe、Cr、Si等元素，其中Ni扩大γ相区，降低亚稳共晶转变温度，含镍量够高时，铸件的共析转变完全消失，铸铁的基体组织全部变为奥氏体。Fe和Cr、Mn主要形成碳化物分布在基体中，增加铸铁的硬度、耐磨性等力学性能，虽然稀土金属含量较低，但它却是蠕化剂不可或缺的物质，同时也确定了采用A型蠕化剂，含量0.55％时，较易获得所需稳定的蠕墨铸铁试样。
　　蠕化试验获得的试样大致可分为:高镍奥氏体球墨铸铁、高镍奥氏体蠕墨铸铁以及高镍奥氏体灰铸铁，同时还选取了镍含量较低的中镍对比试样进行分析。为了耐磨镶圈的合理选材，对上述材料进行了力学性能分析:测量所得试样的宏观布氏硬度、耐磨损性能、低温冲击韧性、拉伸性能等。在宏观硬度的试验中发现，高镍奥氏体球墨铸铁硬度最高，硬度值可达布氏硬度220HBW左右，高镍奥氏体灰铸铁较低，只有130HBW左右，高镍蠕墨铸铁硬度值居于两者之间，大约为160HBW左右。与宏观硬度测试试验类似，耐磨损性能的结果也为高镍奥氏体球墨铸铁耐磨损性能最好，其次为高镍奥氏体蠕墨铸铁，再次为原有高镍奥氏体片状铸铁，最差的为中镍含量的对比试样。但是由于耐磨镶环需要铸入铝活塞中，硬度值不宜太高，因此原有高镍奥氏体片状铸铁产品及高镍奥氏体蠕墨铸铁相关性能是较符合选材标准的。对于这两组试样又进行了低温冲击试验和拉伸试验，发现高镍奥氏体蠕墨铸铁的冲击韧性和抗拉伸性能都比原有高镍片状灰铸铁更好，同时发现两组铸铁试样的冲击韧性随温度值变化不大，在常温(20℃)、-20℃、-40℃几种情况下，冲击韧性值几乎相同。在拉伸试验中，发现铸铁试样的拉伸性能主要显现出其高镍奥氏体基体的特征。
　　为了更加贴近活塞的实际应用情况，为选材提供可靠依据，同时也对耐磨镶环材料进行了热物理性能分析，本课题积极探索研究了所用材料的热疲劳性能及导热性能、线胀系数，在460℃和20℃之间的热疲劳循环试验中发现，试样的热疲劳性能与试样的石墨形态、基体组织和碳化物含量是息息相关的，通过微观组织观察发现，高镍奥氏体基体具有优良的抗热疲劳能力，在石墨形态方面抗热疲劳性能为:球墨铸铁＞蠕墨铸铁＞片状灰铸铁，热疲劳裂纹主要由石墨和基体接触的尖锐位置开始起裂，碳化物的存在阻碍了裂纹的扩展，在观察中极少看到裂纹的扩展路径与碳化物相交，裂纹与碳化物位置相距较远。导热性能试验中发现，高镍蠕墨铸铁与高镍片状灰铸铁有一定差距，但其导热能力还是比较优异的，在线胀系数测量试验中发现，高镍蠕墨铸铁材料的线胀系数与活塞基体的更加接近，实际应用中性能更优异。
　　高镍奥氏体蠕墨铸铁具有良好的高温性能，在500℃下能保持较好的强度，具有比较优良的抗热疲劳能力和导热能力，结合其他相关的力学性能、铸造性能等，高镍奥氏体蠕墨铸铁可代替原有的高镍奥氏体灰铸铁进行活塞耐磨镶环的尝试性生产。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题目的及意义

1．2 高镍蠕墨铸铁及组织性能影响因素的研究现状

1．2．1 国内外蠕化工艺研究现状

1．2．2 各种元素对石墨形态及微观组织影响研究现状

1．2．3 石墨形态及微观组织对铸件性能影响研究现状

1．3 活塞耐磨镶环的工况及相关材料研究现状

1．3．1 活塞耐磨镶环工况

1．3．2 耐磨镶环材料的研究前景

1．4 本课题主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2．1 蠕化试验材料

2．1．1 试验所需原材料

2．1．2 蠕化剂的选择

2．2 蠕化试验工艺及试样观察分析

2．2．1 离心铸造设备及蠕化工艺

2．2．2 试样微观组织的观察及元素分析

2．3 试样性能测试及研究方法

2．3．1 抗热疲劳性等热物理性能测试

2．3．2 试样耐磨损性能的测试

2．3．3 力学性能测试及金相检验

2．4 本章小结

第3章 蠕化剂对高镍铸铁石墨形态及组织的影响

3．1 蠕化剂对高镍蠕墨铸铁石墨形态的影响

3．1．1 A型蠕化剂含量变化对石墨形态影响分析

3．1．2 A型和B型蠕化剂的蠕化效果对比

3．2 高镍合金铸铁蠕化过程中元素的变化及作用

3．2．1 促进石墨化元素及残余镁含量分析

3．2．2 碳化物的形成及元素作用分析

3．3 本章小结

第4章 耐磨镶环高镍蠕铁的力学性能分析

4．1 高镍合金铸铗硬度与石墨碳化物的关系分析

4．2 高镍合金铸铁磨损性能测试及对比分析

4．2．1 磨损性能测试结果分析

4．2．2 微观组织对于耐磨损性能的影响分析

4．3 高镍合金铸铁冲击韧性对比分析

4．4 高镍合金铸铁拉伸性能对比分析

4．5 本章小结

第5章 高镍蠕墨铸铁的热物理性能试验分析

5．1 高镍合金铸铁导热性的对比分析

5．2 高镍合金铸铁线胀系数对比分析

5．3 高镍合金铸铁抗热疲劳性对比分析

5．3．1 热疲劳试验数据测量比较分析

5．3．2 石墨特性对于抗热疲劳性影响分析

5．3．3 碳化物对于抗热疲劳性能的影响分析

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文