主要技术要求优化方案

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：在钒钛铸铁中，磷的质量分数一般为0.25%～0.4%。个别国外柴油机公司生产的气缸套中磷的质量分数高达0.7%～1.0%。当硼的质量分数达到0.05%时，对其强度影响不大，而析出的硼碳化物量可达10%～15%

气缸套是柴油机上的重要零件，其质量的好坏，尤其是耐磨性，将直接影响柴油机的使用性能和经济效果。因此，气缸套具有很高的技术要求。

一、材质

对气缸套材质的主要要求是：具有足够的强度，良好的耐磨性、耐热性、致密性和耐蚀性等。其中，耐磨性是优质气缸套的重要特性。当耐磨性差时，磨损将加剧，并使气缸套与活塞环间的配合紧密度变差，从而引起漏气现象，使发动机起动困难和功率降低。当磨损过大时，会加剧活塞环槽的磨损，甚至会使活塞环被折断；或每当活塞的运动方向改变时，必然会发生敲击现象。

国内外为提高气缸套的耐磨性而进行了大量的研究工作，先后研制了铬钼铜铸铁、高磷铸铁、镍铬铸铁、硼铸铁、钒钛铸铁和铌铸铁等不同材料的合金铸铁气缸套。也可采用表面强化的方法来提高气缸套的耐磨性，进行表面淬火、镀铬、渗氮处理和挤渗碳化硅等工艺，都可以不同程度地获得一定的效果，使气缸套的耐磨性得到很大的提高。例如，国外生产的大型低速柴油主机气缸套，其中有的磨损量仅为0.013mm/1000h。国内生产的船用主机气缸套的耐磨性也获得了较好的效果：某中速柴油机气缸套，有的使用4500～6500h的平均磨损率为0.0017mm/1000h；某油轮主机低速柴油机气缸套的磨损量不超过0.02mm/1000h。

气缸套在使用中的受力很复杂，材质的抗拉强度一般应为R_m≥250MPa，布氏硬度为180～248HBW。对于大型船用主机气缸套，其上部本体抗拉强度R_m应为215～245MPa，布氏硬度为180～230HBW。气缸套材料的种类很多，各国要根据本国的资源情况和发动机的种类、用途及使用条件等进行选用，目前常用的有以下几种。

1.以钒为基的合金系列

目前选用较多的是以钒为基的合金系列。瑞士、丹麦、日本、挪威等国的柴油机气缸套，一般采用含钒的合金铸铁，如钒铜铸铁、钒钛铸铁和钒铜钼铸铁等。

（1）钒的作用

1）钒是强烈的形成碳化物的元素，在铸铁中将生成碳化铁和碳化钒；它与氮有较强的亲和力，将形成氮化物，并弥散地分布在基体之中。这些碳、氮化物具有高温稳定性和很高的显微硬度，能构成坚韧的抗磨骨架；并能细化晶粒，强化基体组织，增加珠光体中化合碳的数量，促使得到细密的或索氏型珠光体。

2）钒具有抗高温软化的能力，并能减小铸铁的热膨胀系数，这些性能对提高气缸套的耐磨性都是极为有利的。

3）钒能细化石墨，使石墨分布得更加均匀。

4）钒能消除由于断面面积相差很大、冷却速度相差悬殊而引起组织不均匀的不良影响，在大断面中不会生成大量的铁素体。

5）钒可提高铸铁的力学性能，特别是高碳条件下的力学性能。另外，由于钒的加入而提高的硬度，一般不会导致加工性能的降低。

（2）钛的作用钛具有与钒相同的作用，它与碳和氮的亲和力比钒强，将生成很稳定的碳化物和氮化物。对提高铸铁的耐磨性有着良好的作用。少量的钛具有强石墨化作用，随着钛含量的增加，磨损量将下降，当钛的质量分数为0.16%时，可获得很好的耐磨性。

钒与钛元素一般同时使用，并以适当的比例搭配，可对铸铁组织的性能发挥各自最好的作用，而又相互抑制了对方的不良影响。如微量的钛能抑制钒的“白口”倾向，使其能获得更好的效果。早在60多年前，挪威、丹麦等国就研究和采用了钒钛铸铁气缸套，并获得了很好的效果。

含钒的气缸套比普通铸铁气缸套的耐磨性要好得多。例如，国外某气缸套十年间运行54454h，平均磨损率仅0.0753mm/1000h；20世纪50年代建造的国外某轮船，运行15000h时，五个气缸套的平均磨损率为0.0586mm/1000h。随着含钒量的增加，气缸套的磨损量显著下降。大型气缸套中钒的质量分数一般为0.15%～0.4%，钛的质量分数为0.05%～0.16%。

（3）铜的作用铜在铸铁中是促进石墨化的元素，能细化晶粒，获得致密的珠光体组织，从而提高铸铁的强度、硬度和耐磨性，在生产中被广泛应用。大型气缸套多采用钒铜铸铁，其中钒的质量分数为0.15%～0.30%，铜的质量分数为0.9%～1.2%，磷的质量分数为0.25%～0.45%，能获得很好的耐磨性。

（4）硅的作用为进一步提高气缸套的耐磨性，国内研究了中硅钒钛铸铁（硅的质量分数为3.0%～3.8%），主要用于生产各种规格的拖拉机气缸套。研究表明，这种材料具有很高的耐磨性，甚至优于高磷铸铁等，是制造发动机气缸套的优良新材料，有待进一步推广应用。

（5）磷的作用磷是影响铸铁耐磨性的一个很重要元素。在各种耐磨铸铁中，几乎都有一定数量的磷存在。一定数量的磷共晶体，如果很牢固地存在于金属基体上，形成坚固的骨架，承受载荷作用，则能显著提高铸铁的耐磨性。国内外普遍采用中磷铸铁，其磷的质量分数一般为0.3%～0.6%。在钒钛铸铁中，磷的质量分数一般为0.25%～0.4%。个别国外柴油机公司生产的气缸套中磷的质量分数高达0.7%～1.0%。但是，过高的含磷量会使铸铁的力学性能，特别是冲击韧度显著降低，脆性剧增；并促使析出粗大的连续网状或块状磷共晶体，反而会对气缸套的耐磨性产生不良影响。

2.硼铸铁

在铸铁中加入一定量的硼，能强化珠光体和细化石墨及共晶团，并能析出硼碳化物，当磷的质量分数≥0.2%时，还能析出硼碳化物与磷共晶的复化物。在摩擦过程中，这些显微硬度很高的硬化相——硼碳化物和含硼的复合磷共晶体，是支承载荷的主骨架。珠光体基体的显微硬度远低于硼碳化物，它将被较快磨损而形成凹下的沟槽，从而保持油膜连续，改善润滑，减少磨损，从而使气缸套具有很好的耐磨性。硼碳化物的显微硬度（803～1048HV）高于磷铸铁中的磷共晶体（503～690HV）。因此，硼铸铁比高磷铸铁具有更好的耐磨性。硼碳化物应呈细小分散均匀分布和细小断续网状分布，这些硬化相可牢固地镶嵌于基体之中，不易剥落，具有良好的耐磨性和加工性。如果呈枝晶状分布，则会由于镶嵌不牢而在摩擦过程中容易剥落。更不允许呈严重聚集状、枝晶状和大块状分布，以免对耐磨性和力学性能产生不良影响。

硼铸铁中的硼含量必须得到严格控制。当硼的质量分数达到0.05%时，对其强度影响不大，而析出的硼碳化物量可达10%～15%，具有很好的耐磨性。如果含硼量偏高，硼碳化物的析出量过多，则会使力学性能明显变差。综合硼对耐磨性及力学性能的影响，一般将硼的质量分数控制在0.03%～0.06%的范围内。

为了更好地提高硼铸铁的耐磨性，常加入微量的锡。锡在铸铁一次结晶过程中有石墨化和孕育作用，能减少渗碳体和过冷石墨的形成；而在共析转变时又可强烈地碍阻石墨化，故又有较强的稳定珠光体作用。同时，锡还能减小对铸件厚薄的敏感性，而使各断面组织更加均匀。少量的锡还能提高铸铁的抗氧化性和耐蚀性，这对提高气缸套在实际使用中的耐磨性有更重要的作用。当用硼铸铁生产大型气缸套时，常加入微量的锡，其质量分数一般为0.08%～0.10%。

锑在铸铁中有着与锡相似的作用，是一种更强烈地稳定珠光体的元素，其能力超过锡。为更有利于提高气缸套的耐磨性，也可加入微量的锑（质量分数为0.03%～0.05%）。

由于硼铸铁具有优良的耐磨性，近年来国内外广泛将它用于各种气缸套和机床导轨等摩擦零件。特别是现代大型气缸套，已普遍采用硼铸铁，并获得了令人满意的效果。

3.铬钼铜铸铁

国内使用铬钼铜铸铁气缸套比较普遍。铬在铸铁中是阻碍石墨化和强烈地稳定碳化物的元素。适量的铬可细化结晶组织，强化珠光体，能提高铸铁的强度和硬度；形成高热稳定性的铬碳化物，特别是能显著提高铸铁的耐热性和抗“生长”性，成为在高温下工作的铸铁件的最有价值的合金元素。铬还能提高磷共晶体的热稳定性和显微硬度，故适量的铬能提高气缸套的耐磨性。但铬的加入量须严格控制，并与碳硅含量适当搭配。在高碳当量条件下，铬的加入量可以稍高一些。铬使铸铁的“白口”倾向增大，容易生成“白口”；并促使形成三元磷共晶体，使磷共晶变脆，从而影响机械加工，并对耐磨性产生不利影响。铬钼铜铸铁气缸套中铬的质量分数一般为0.15%～0.35%。

铸铁中加入适量的钼，可细化和稳定珠光体，形成钼碳化物，具有良好的热稳定性。加入少量的钼就能提高铸铁的强度、硬度和耐磨性。一般将铬钼搭配使用，钼的质量分数为0.2%～0.6%。

与钒系铸铁相同，在铬钼铸铁中常加入适量的铜，以进一步细化晶粒和石墨，得到很致密的珠光体，提高铸铁的强度、硬度和耐磨性。铬钼铜铸铁气缸套中铜的质量分数一般为0.6%～1.2%。在我国目前缺少镍的情况下，镍的价格很昂贵，在耐磨铸铁中，用铜代替部分镍，对提高气缸套的耐磨性很有必要，故获得广泛的应用。

4.镍铬铸铁

镍在铸铁中是促进石墨化的元素。在低硅铸铁中，镍的石墨化能力约为硅的一半。随着碳、硅含量的增加，镍的活性将减小。

镍能细化晶粒，便于得到细密的珠光体或索氏型珠光体，从而可提高铸铁的强度、硬度和耐磨性。镍在气缸套中的质量分数一般为0.4%～1.2%。

为了更好地发挥镍、铬对提高气缸套耐磨性的良好影响，一般将其以适当的比例进行搭配，同时使用。铬的质量分数一般为0.2%～0.4%。

镍铬铸铁是一种优良的气缸套材料，在前苏联应用较多，因为其镍资源比较丰富。我国镍资源少，镍的价格很高，使这种材料的应用受到了很大的限制。

5.高强度球墨铸铁

高强度球墨铸铁具有良好的耐磨性。有些比较小的气缸套多采用QT500-7制造，但由于球墨铸铁的热导率约只为片状石墨铸铁的一半，故其在大功率柴油机气缸套上的应用受到了限制，至今尚未见到这方面的应用。

6.蠕墨铸铁

蠕墨铸铁是一种新的铸铁材料，其石墨形态介于片状与球状之间。因其石墨形态的特性，使其兼有灰铸铁和球墨铸铁的某些特性，具有良好的综合性能。这种铸铁的显著特点是其热导率接近于灰铸铁而优于球墨铸铁。因此，它既具有接近于球墨铸铁的高力学性能，又有接近于片状石墨铸铁的耐磨性和耐热性，以及良好的铸造性能。如果在蠕墨铸铁中添加少量的硼、磷等元素，将使其具有更高的耐磨性、耐热性等性能，是一种制作气缸套的很有发展前途的新材料。

气缸套金相组织的选择与活塞环基本相同（详见第3章中的3.1.2）。

二、水压试验

气缸套要求有高度的致密性，能够承受燃烧室内爆发压力的作用和冷却水压力的作用，不能有任何渗漏现象。故在机械加工后，必须对其进行水压试验，试验压力的大小一般取工作压力的1.2～1.3倍。工作压力随机型而异：对于大型低速柴油机气缸套，自气缸套上端往下至全长1/3的范围内，试验压力一般为7～13MPa，其余2/3范围内为0.7～1MPa。

三、铸造缺陷

气缸套的工作内表面（柴油机气缸套主要是上端往下至全长1/3的范围内）、缸套上端外部承肩区域和密封环槽区域，不允许有局部缩松等影响强度及密封性的任何铸造缺陷。不允许用焊接方法对缺陷进行修补。

四、热处理

经过粗机械加工后，应进行消除铸造应力的人工时效处理。

主要技术要求优化方案

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