材质对金属基体影响的研究：钒钛铸铁活塞环的合理化学成分探讨

影响活塞环工作寿命的因素很多，且其影响过程很复杂。活塞环的工作寿命除了受到材料性能（化学成分、金相组织和力学性能等）和铸造质量的影响以外，还与设计结构、制造方法、机械加工质量、表面处理方法（多孔镀铬、磷化、镀锡和镀铜等）、安装质量、润滑情况（润滑油的质量、给油量等）和操作运转等许多因素有关。但从许多试验研究和工作实践得知，活塞环材料的影响是最基本的因素之一。特别是船用主机，不同于陆用发动机，其工作条件独具特点，质量要求更高。要获得优质的活塞环，首先必须选用优质材料，并在铸造过程中严格控制材料性能。

一、材质种类

根据活塞环的主要技术要求，各国都采用铸铁活塞环。因为铸铁具有足够的强度、良好的耐磨性、弹性和热稳定性等，而且易于加工制造、成本较低。常用的铸铁活塞环材料有以下几种。

1.普通孕育灰铸铁

以前大多采用普通孕育灰铸铁活塞环，之后为提高活塞环的使用性能，较广泛地采用低合金铸铁。采用普通孕育灰铸铁时，如果严格控制化学成分和铸造工艺过程，也能获得较好的效果。国内某厂在单体铸造活塞环时，将化学成分控制在如下范围：w（C_总）=3.0%～3.2%，w（C_化合）=0.7%～0.8%，w（Si）=2.8%～3.2%，w（S）≤0.1%，w（P）=0.4%～0.6%。浇注温度大于1350℃，可不经热处理而获得95%甚至接近100%的索氏体状态的金相组织。使用性能较好，一般能行驶40000km以上。

2.低合金铸铁

为了更好地提高活塞环的质量，延长其使用寿命，可在普通孕育灰铸铁中加入少量合金元素，进行合金化处理。这样可以强化金属基体，提高珠光体的分散度及碳化物的稳定性，从而使活塞环具有更好的耐磨性、弹性及热稳定性等，工作寿命将显著增加。在高温、高压、高速条件下工作的大功率船用柴油机活塞环，普遍采用低合金铸铁制造。

根据活塞环的使用要求和本国的资源条件等情况，采用不同系列的低合金铸铁。目前，应用较多的有以下系列。

（1）铬钼铜铸铁 国内采用铬钼铜铸铁活塞环比较普遍，尤其是在中速、低速柴油机活塞环上应用更广泛。因为这种耐磨铸铁具有较高的耐磨性等性能，基本上能满足活塞环的主要技术要求；合金材料来源又较为丰富，在最近几十年的实际使用中获得了较好的效果。

铬在铸铁中是强烈阻碍石墨化元素。如果硅的石墨化作用为+1，则铬的作用为-1（即阻碍石墨化）。适量的铬能细化石墨，阻碍铁素体的形成，增加珠光体的数量，阻碍珠光体的分解，稳定珠光体，从而可提高铸铁的强度、硬度、耐磨性和耐热性等。但它有增加“白口”的倾向，并促使形成三元磷共晶体，故铬的含量须得到严格控制。活塞环中铬的质量分数一般为0.2%～0.4%。

钼在铸铁中也是阻碍石墨化的元素，但不及铬那样强烈。加入适量的钼能细化和稳定珠光体，使珠光体的分散度增加。当钼的质量分数达到0.5%时，金属基体中将无铁素体存在。钼的另一个显著作用是与碳形成钼碳化物，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、耐磨性和热稳定性等。钼与铬搭配使用，可获得更好的性能，效果更好，其搭配比例可取1∶1。活塞环中钼的质量分数一般为0.2%～0.4%。

铜在铸铁中是促进石墨化元素，石墨化能力约为硅的20%，同时能降低铸铁的“白口”倾向。在含铬铸铁中，铬有促进“白口”的倾向，而铜的加入能部分地抑制铬的这种不良作用。适量的铜能进一步细化石墨，得到均匀分布的细薄片状石墨和细密层状珠光体，强化珠光体基体，故能提高铸铁的强度、硬度和耐蚀性。为充分发挥铬、铜对提高活塞环质量的有利作用，一般将两者配合使用。铜、铬共用时的比例一般为2∶1～3∶1。活塞环中铜的质量分数一般为0.6%～1.2%。

由于铜对提高活塞环质量的有利影响，在我国镍资源比较缺乏、镍的价格昂贵的条件下，用铜代替部分镍很有实用价值，获得了广泛的应用。

（2）硼铸铁 硼在铸铁中是最强烈的阻碍石墨化的元素。它与碳形成硼碳化物。当磷的质量分数不小于0.2%时，还能析出硼碳化物和含硼的复合磷共晶，能显著提高铸铁的耐磨性。

硼铸铁是国内外近年来研制的耐磨铸铁，在气缸套、机床导轨等摩擦零件中已获得广泛应用，特别是在现代大型船用柴油机气缸套上应用更广泛，并获得了良好的效果。硼铸铁活塞环的应用也会日趋广泛。为获得预期效果，必须严格控制含硼量，活塞环中的硼的质量分数一般为0.025%～0.05%。

为了更好地提高硼铸铁活塞环的性能，还可添加其他合金元素，如硼钨铬铸铁、硼钒钛铸铁和硼铬钼铜铸铁等。

（3）钒钛铸铁 钒在铸铁中是强烈阻碍石墨化的元素，并可形成特殊的碳化物，能使石墨细化，分布更加均匀。同时可促进形成珠化体，并能细化和强化珠光体基体。从而提高铸铁的强度、硬度、热稳定性和耐磨性等。

钛在铸铁中与碳和氮的亲和力很强，将形成碳化钛等碳化物，以极细的颗粒存在于铸铁中，对提高铸铁的耐磨性有着良好的影响。当钛的质量分数较小时（小于1%），碳化钛能起到石墨化核心作用，能细化晶粒和促进石墨化；它还能进行脱氧，使铁液纯净而改善铸铁的性能。

钒和钛一般搭配使用，各自发挥最好的作用，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，以获得更好的性能。

钒钛铸铁是近几十年研制的耐磨铸铁，在大型柴油机气缸套等零件中已广泛应用，并获得了良好效果。钒钛铸铁活塞环的化学成分可取w（V）=0.15%～0.25%，w（Ti）=0.10%～0.16%。

为了更好地提高钒钛铸铁活塞环的性能，还可添加其他合金元素，如钒钛铜铸铁等。

（4）钨铸铁 钨在铸铁中是稳定碳化物的元素，其作用与钼相似，不过作用程度较钼弱。钨可与碳形成复合碳化物，并细化珠光体，提高铸铁的强度、硬度和耐磨性。钨铸铁活塞环中钨的质量分数一般为0.3%～0.6%。

为了更好地提高钨铸铁活塞环的耐磨性等性能，延长其使用寿命，还可添加其他合金元素，如钨铬铸铁、钨铬钼铜铸铁、钨钒钛铸铁等。这些钨系耐磨铸铁活塞环主要用于汽车、拖拉机等的小型发动机，并获得了良好的效果。

（5）镍铬铸铁 镍在铸铁中是促进石墨化元素，但其促进石墨化能力比硅弱，约为硅的1/3。镍对铸铁的基体组织有较大影响，能细化珠光体和增加珠光体数量，强化基体组织，并能提高铸件组织的均匀性。因此，镍能显著提高铸铁的力学性能和耐磨性等，是对铸铁性能有着良好的影响的重要元素。镍铬铸铁活塞环中镍的质量分数一般为0.5%～1.2%。

为了更好地提高活塞环的耐磨性，延长其使用寿命，镍铬同时使用效果更好。镍铬铸铁活塞环中铬的质量分数一般为0.2%～0.4%，镍、铬的配合比例见表3-1。

表3-1 镍铬铸铁中镍、铬的配合比例

镍铬铸铁活塞环中还可添加其他合金元素，使其使用效果更佳，如镍铬钼铸铁等。

镍铬系列铸铁活塞环具有很好的使用性能，但因为镍资源缺乏，且价格昂贵，故其应用受到了很大限制，在欧洲国家应用较多，我国已很少采用。

3.球墨铸铁

低合金铸铁与普通灰铸铁相比，在使用性能上虽有较大提高，但仍不能完全满足强力发动机的要求。球墨铸铁有很高的力学性能和良好的耐磨性等，具有许多独特的优点。许多研究资料及生产实践证明：球墨铸铁比某些低合金铸铁的耐磨性、热稳定性及弹性等都要优越得多，能满足强力发动机的要求，并能节约贵重的镍、铬、钨、钛等合金元素，是制造活塞环的优良材料。

20世纪60年代研制成功的，采用在我国资源丰富的稀土镁合金生产的球墨铸铁，比纯镁球墨铸铁具有更好的铸造性能，使球墨铸铁的应用范围日益扩大。球墨铸铁活塞环材料主要有两种类型。

（1）珠光体基体球墨铸铁活塞环 这是目前世界上一些国家较广泛采用的活塞环材料，其珠光体数量在80%以上。国内某厂生产的球墨铸铁活塞环用在某船主机上，获得了良好的效果。根据其他工厂的经验，球墨铸铁活塞环的使用寿命已超过6000h。前苏联一些工厂在船用柴油机上成功地采用了镍钼低合金球墨铸铁[w（Ni）＜1.0%，w（Mo）＜0.5%]活塞环，使活塞环的热稳定性、弹性及耐磨性等大为提高。其他如美国、英国等国家，也在大中型柴油机上采用珠光体球墨铸铁活塞环，并获得了良好效果。

（2）中硅铁素体球墨铸铁活塞环 罗马尼亚冶金研究所用硅的质量分数为4%～5%的铁素体球墨铸铁活塞环，分别在M42型12缸2000马力航空发动机和350马力柴油发动机上进行了比较试验，试验时间分别为119h和855h。试验结果表明：中硅铁素体球墨铸铁活塞环比珠光体球墨铸铁和片状石墨灰铸铁活塞环具有更好的耐磨性。这是一种新型的活塞环材料，有待进一步研究。但必须指出：这种材料的铸造性能较差，采用普通砂型铸造圆筒形坯料时，砂芯须具有良好的溃散性，以避免产生纵向裂纹。

用于制作活塞环的，还有其他一些特殊材料，如粉末冶金等。这种活塞环目前在国外应用较广，主要用于少数汽车发动机。

二、材料的控制

为使活塞环具有优良的性能，特别是要有高度的耐磨性，在选定材料的种类以后，还必须严格控制以下几个方面。

1.金相组织

活塞环的性能主要取决于铸铁的金相组织。化学成分、炉料组成、熔炼方式、铁液过热程度、孕育处理效果、冷却速度等结晶条件，以及热处理等各种因素，最终都是通过改变金相组织来影响活塞环性能的。

（1）石墨 普通灰铸铁的片状石墨在金属基体中不但缩减金属截面，还会形成尖锐的切缝。切缝周围易引起局部应力集中，使铸铁强度大为降低。同时，这些切缝是金属受磨损而破坏的根源。但石墨可吸附和存留润滑油，石墨本身也是一种润滑剂，故其对提高耐磨性有良好的影响。在液体润滑和半干摩擦条件下，磨损量随石墨的增加而减少。石墨对活塞环质量的影响主要取决于石墨的形状、大小、数量及分布特征等。

1）石墨的形状及分布特征。石墨的形状及分布特征会影响金属基体的强度，以及能否充分发挥其对提高耐磨性的有利作用，一般要求为均匀分布的片状石墨、菊花状石墨。低合金铸铁活塞环一般均为菊花状石墨；对于采用过共晶低合金铸铁单体铸造的汽车活塞环，石墨的形状一般为均匀分布的细片状、巢状和短丝状的混合型石墨，允许存在少量无序分布的细小点状石墨，但不允许有呈严重枝晶状的石墨。

2）石墨的大小。灰铸铁活塞环以中等片状石墨为宜。石墨的长度一般为0.15～0.03mm，石墨粗大会显著降低铸铁的力学性能。过于粗大的片状石墨或很小的点状石墨，都会使耐磨性降低，故一般不允许这两种形态的石墨存在。

3）石墨的数量。石墨数量过多，会使铸铁的金属基体大为变松，降低基体强度，结果是使磨损加剧。石墨数量过少，则不能充分发挥石墨对提高活塞环耐磨性的有利影响，从而也会增加磨损。石墨的数量一般为视场面积的6%～15%。

（2）金属基体 铸铁金属基体组织中的片状珠光体是铁素体和渗碳体的片层相间、交替排列的组织，按其片层间距大小，有粗大、中等和细小片状三种形式。铸铁活塞环的金属基体组织应为细小片状珠光体（放大500倍下，片间距不大于1mm），具有较好的耐磨性。珠光体中的碳化物越细，则抗蠕变及抗塑性变形的能力越强。细晶粒组织更能提高基体之间的结合力，减少摩擦过程中的剥落现象。粒状碳化物对塑性变形的抗力较差，对耐磨性有不利影响，故不允许粒状珠光体组织存在。分布很不均匀的珠光体和粗大片状珠光体（放大500倍下，片间距大于2mm）也是不允许的。

极细片状的索氏体型珠光体（放大500倍下，铁素体和渗碳体难以分辨），在过共晶成分低合金铸铁单体铸造的小型活塞环上，容易得到这样的基体组织。它具有更好的强度、耐磨性、耐蚀性和传热性等。

铁素体的强度和硬度都很低，其硬度约为100HBW，耐磨性很差，因此一般不允许有铁素体。在个别情况下，只允许有均匀分布的小颗粒状铁素体，且其数量不能超过视场面积的5%。随着铁素体数量的增加，磨损也会加大，同时容易发生“拉缸”现象。

贝氏体组织在强度、硬度、耐磨性、耐热性和耐蚀性等方面都比珠光体组织好。在灰铸铁中添加镍、铬、钼等合金元素或采用等温淬火、回火热处理工艺，均可得到贝氏体组织。它具有多向针状结构，硬度可达250～300HBW，可用于高速汽油或柴油机活塞环。

不允许有莱氏体组织存在。

一般不允许存在游离渗碳体，也有的允许有较均匀分布的、分散的细小块状的游离渗碳体，但其数量应不超过视场面积的3%。

（3）磷共晶体 磷共晶体的组成相及分布特征、形状、大小和数量是影响铸铁活塞环耐磨性的最重要因素之一。

1）磷共晶体的组成相及分布特征。铸铁中一定数量的磷共晶体，如果能很牢固地存在于金属基体上，形成坚硬的骨架，承受载荷作用，则能显著地提高铸铁耐磨性。如果金属基体上的磷共晶体不牢固，且易碎裂，则将起磨料作用，反而会显著促进铸铁件的磨损。为了提高铸铁活塞环的耐磨性，一般将磷的质量分数控制在0.35%～0.60%的范围内，并添加其他合金元素，磷共晶体的组成相有二元（α-Fe+Fe₃P）、三元（α-Fe+Fe₃P+Fe₃C）及复合物式（α-Fe+Fe₃P+合金碳化物）几种形式。

铸铁活塞环中均存在一定数量的均匀分散分布的二元磷共晶体，且彼此不连续，呈细小薄片状或连续、断续的细小密集网络状。在合金铸铁活塞环中，三元磷共晶体也是经常存在的。近年来的研究和实践表明，磷共晶体中的碳化物或复合物式磷共晶体能提高活塞环的耐磨性，延长其使用寿命。故允许少量不连续的三元磷共晶体及均匀分布的细小复合物式磷共晶体存在。

2）磷共晶体的大小。分布不均匀的粗大成块的磷共晶体降低了金属基体的强度，往往是使活塞环急剧磨损的主要原因之一。关于磷共晶体的合适尺寸，目前尚无很确切的数据。一般认为，单个磷共晶的最大面积应控制在1000μm²以下或磷共晶体的最大链长小于150μm。

3）磷共晶体的数量。低合金铸铁活塞环中必须具有一定数量的磷共晶体，以使其具有最好的耐磨性。根据经验，磷共晶体的数量一般应控制为视场面积的7%～15%。

2.化学成分

铸铁活塞环的力学性能、金相组织和其他使用性能，主要取决于其化学成分和结晶条件（如冷却速度等），而化学成分的影响是最基本的因素。其中，磷及合金元素的含量选择尤为重要。

（1）碳 碳是强烈促进石墨化元素。活塞环成分中须有一定的含碳量，以使金属基体上分布一定数量的石墨。低碳铸铁虽能提高活塞环的强度、硬度及弹性等，但会由于石墨数量减少而对耐磨性产生不利影响。碳含量过高，则会导致析出大量粗大片状石墨及降低铸件力学性能，也会使活塞环的磨损增加。

含碳量的选择，主要与活塞环的大小、壁厚、铸造方法（如单体铸造、圆筒形砂型铸造、离心铸造等）及合金元素含量等因素有关。一般控制在以下范围内：单体铸造时，w（C）=3.4%～3.9%；圆筒形砂型铸造时，w（C）=3.1%～3.4%。对于球墨铸铁活塞环，原铁液中的w（C）>3.7%。

（2）硅 硅在铸铁中是促进石墨化元素，其促进石墨化的能力约为碳的1/3。含硅量过高或过低都会使活塞环的磨损增加，应根据碳、硅总量综合考虑。一般在选定含碳量以后，再估算出所需要的含硅量。对于单体铸造活塞环，w（Si）=2.0%～2.8%；大型柴油机活塞环圆筒形砂型铸造时，w（Si）=1.3%～1.7%。

（3）锰 铸铁中的锰是促使碳化物形成的元素，能细化晶粒和稳定珠光体中的碳化物。从而提高铸铁的力学性能，使活塞环的耐磨性增加。活塞环中锰的质量分数一般为0.6%～1.0%。

（4）硫 铸铁活塞环中硫的质量分数越低越好，一般应小于0.10%。

（5）磷 在铸铁活塞环成分中，磷是一种非常重要的元素。提高铸铁活塞环耐磨性的主要措施之一，就是适当提高含磷量。

随着含磷量的提高，在金属基体上分布一定数量的磷共晶体，使铸铁的磨损量逐渐减少，如图3-1所示。

为了更有效地提高铸铁活塞环的性能，除了提高含磷量以外，还须添加适量的合金元素，其主要作用是细化晶粒、强化基体，增加珠光体的分散度和碳化物的稳定性，并形成合金碳化物及复合物式磷共晶体。从而提高活塞环的耐磨性、弹性和热稳定性，延长其使用寿命。关于可供选用的合金元素，已在前面论述。

铸铁活塞环化学成分的选择主要取决于所需的力学性能、尺寸大小和铸造工艺方法等。铸铁活塞环材料的种类很多，要根据生产的具体情况进行选用。表3-2中列出了部分常用灰铸铁活塞环的化学成分和力学性能，可供参考。

图3-1 磷的质量分数与磨损量之间的关系

表3-2 部分常用灰铸铁活塞环的化学成分和力学性能

3.硬度

铸铁活塞环的硬度是影响其工作寿命的一个重要因素。众所周知，活塞环的工作条件比气缸套要繁重得多，其单位面积上所受的摩擦功比气缸套要大，故容易磨损。一般认为，活塞环的硬度应比气缸套的硬度高10～20HBW，中低速发动机活塞环的硬度一般为190～240HBW。

必须指出：

1）活塞环与气缸套的硬度差值比它们的绝对硬度值更有意义。即彼此要有较好的硬度配合，才能更好地减少磨损。

2）有些研究认为，当活塞环和气缸套有相同硬度时，耐磨效果最好。而且它们的共同硬度越高，磨损量越小。

3）如果活塞环和气缸套的金相组织相同，则它们的磨损量将减少。由此可知，为了减少磨损，更要使活塞环与气缸套的硬度相匹配。

在实际生产中，尤其是在修船时，由于旧主机气缸套的硬度差别很大，给控制活塞环的硬度带来了很大困难。关于硬度差值的具体选择，根据活塞环的工作条件及实际经验，认为主机活塞环的硬度比气缸套的硬度高10～30HBW较为合适，也允许略低，但不得超过10HBW。在修船生产中，如果旧气缸套的硬度低于170HBW，则活塞环的硬度推荐采用180～210HBW。

三、磷共晶体的控制

铸铁活塞环中磷共晶体的特征是影响活塞环工作寿命的重要因素之一。为稳定质量，必须加强对磷共晶体的控制。

1.磷共晶体的组成及类型

铸铁金属基体上的磷共晶体，根据其组成相的不同，主要存在以下类型。

（1）二元磷共晶体 二元磷共晶体由磷化铁和α铁（Fe₃P+α-Fe）组成，其中磷的质量分数约为10.4%，熔点为1030℃。在金相显微镜下观察其结构是细点粒状α铁均匀分布于明亮的Fe₃P基底上。

莱氏体状二元磷共晶由Fe₃P+珠光体组成。其结构特点是珠光体呈黑色斑点，充塞于Fe₃P骨架内，颇似鱼骨状和蜂窝状莱氏体。

（2）三元磷共晶体 三元磷共晶体由磷化铁、α-铁和渗碳体组成（α-Fe+Fe₃P+Fe₃C），其化学成分为w（C）=1.96%，w（P）=6.89%，w（Fe）=91.15%，熔点为953℃。因在它的组成中多了一个Fe₃C相，所以比二元磷共晶体具有更高的硬度。在显微镜下观察其结构特征是：白色的Fe₃C条带一般都穿过或附着于二元磷共晶体边缘，并与二元磷共晶体之间形成鲜明的直线界限，在Fe₃C之上没有α-Fe点粒。

另一种三元磷共晶体是由Fe₃P+α-Fe+少量碳化物组成的。其结构特点是：在Fe₃P基底上散布着大小和分布不均匀的α-Fe颗粒（有些则串连成条状分布）；同时，在整个共晶体中隐约可以看出微微凸起的亮白色杆状或粒状碳化物，它们分布在共晶体中，故又称其为共溶型三元磷共晶体。

在Cr、Mo、V、Ti、W、B等元素含量较高的合金铸铁活塞环中，常出现以合金碳化物为基的三元磷共晶体，它是由α-Fe+Fe₃P+合金碳化物组成的。其特征是：共晶体外形各异且不规则，边缘附近常分布着一些须状碳化物；二元磷共晶体点粒状物较少，分布也不均匀，一般都聚积在几个地方。基体中的碳化物主要是由加入的合金元素与碳作用而生成的合金碳化物，具有较高的硬度，有利于提高活塞环的耐磨性。

2.影响磷共晶体析出的主要因素

铸铁中磷共晶体析出的形态特征、大小及数量，主要与以下三个方面有关。

（1）铸铁的化学成分 根据影响磷共晶体析出的数量和大小的不同，可将元素分为两类：

1）第一类。促使磷共晶体析出数量和尺寸增加的元素，如磷、碳和铬。

2）第二类。促使磷共晶体析出数量和尺寸减少的元素，如硅、锰、镍和硫等。

磷是影响磷共晶体的主要元素。磷能溶于铁液中，但在固态铸铁中的溶解度却很小。故当铸铁中的含磷量提高时，很容易析出大量的较粗大的磷共晶体。

铸铁中的碳与磷有互相排挤的性质。当含碳量提高时，磷逐渐被挤出，并以Fe₃P的形态成共晶体析出。如在纯铁中，磷的溶解度为1.2%；而在碳的质量分数为3.5%的铸铁中，磷的溶解度只有0.3%。所以当含磷量及冷却速度都相同时，含碳量高的铸铁所析出的磷共晶体的数量比含碳量低的铸铁多，同时也较粗大。

凡是降低磷在固溶体中溶解度的元素，都会使磷共晶体的析出数量增加，并使其粗大。铸铁中硅、锰、硫的含量提高时，均使磷共晶体的析出数量减少，并使其形状细小。如果铸铁中有形成碳化物、强化渗碳体的元素存在，使碳的扩散和石墨化受到阻碍，提高金属基体的含碳量，则更容易形成三元磷共晶体。在这方面，铬的作用较强，且非常敏感。

（2）铸件的冷却速度 磷共晶体尺寸的大小与铸件的凝固速度有很大关系。活塞环的尺寸越小，冷却速度越快，则析出的磷共晶体网络越细小。试验指出，虽然铸铁中磷的质量分数较高，如w（P）=0.56%，但在冷却速度较快的试验棒（直径为φ5mm）上，也没有发现粗大的磷共晶体。如果冷却速度缓慢，则会促使析出粗大的磷共晶体。

国内某厂在实际生产中进行过以下试验：在其他条件相同的前提下，分别用不同的铸造方法（圆筒形普通砂型铸造，圆筒形砂衬金属型铸造和单体铸造）铸造同一尺寸的活塞环，并对其进行比较。结果发现，冷却速度最快的单体铸造活塞环的磷共晶体最为细小，使活塞环的耐磨性提高。但是必须指出：随着冷却速度的加快，碳的扩散速度减小，石墨化过程受阻，金属基体中的含碳量提高，更容易析出三元磷共晶体。

（3）铁液状态的影响 铁液状态对磷共晶体的析出特性也有较大的影响，试验结果如图3-2所示。

1）过热程度。提高铁液的过热程度（过热温度及在过热温度下的停留时间），会使析出的磷共晶体尺寸增大，如图3-2a所示。

2）浇注温度。由图3-2b可以看出：当过热温度一定时，降低浇注温度，也会使磷共晶体的尺寸增大。在实际生产中也发现过这样的现象：当浇注温度在1340℃以上时，析出均匀分布的薄网状磷共晶体，当浇注温度为1300～1320℃时，析出连续的二元磷共晶体；当浇注温度降至1280℃时，就出现三元磷共晶体。

3）孕育处理。铸铁进行孕育处理对析出磷共晶体大小的影响，在于减弱了冷却速度对磷共晶体大小的敏感作用。由图3-2c可以看出：用Si-Ca孕育剂进行孕育处理后，磷共晶体的大小随冷却速度的减小而增大的曲线变得平坦。故孕育处理对减小磷共晶体尺寸是有利的。

图3-2 铁液状态对磷共晶体的影响

a）过热程度的影响 b）浇注温度的影响 c）用Si-Ca孕育剂进行孕育处理的影响[w（C）=3.0%，w（P）=0.4%]

3.磷共晶体的控制方法

要防止产生大量粗大块状的二元或三元磷共晶体，主要应控制如下几个主要因素。

（1）控制化学成分 铸铁的化学成分，特别是磷及合金元素（如铬、钒等）的含量，是影响磷共晶体结构及分布特征等的主要因素。

1）控制含磷量。磷是铸铁活塞环材料中最主要的元素之一。含磷量过低，将不能产生适量的磷共晶体以提高耐磨性；含磷量过高，则会产生大量粗大的二元或三元磷共晶体。铸铁活塞环中磷的质量分数一般应控制为0.35%～0.60%。对于铸造厚度较大，冷却速度较为缓慢的圆筒形活塞环坯料，其含磷量宜靠近下限；单体铸造活塞环，则可适当取高些。

2）控制含碳量。铸铁中的碳、磷之间有着互相排挤的性质。若含碳量过高，磷在铸铁中的溶解度将大为下降，为析出粗大的磷共晶体提供了有利条件。如果含碳量过低，则会使石墨化作用程度减弱，并提高了金属基体中的含碳量，也易产生三元磷共晶体。根据碳对铸铁力学性能、缩松和磷共晶体等方面的综合影响，对于圆筒形砂型铸造活塞环，其碳的质量分数控制在3.1%～3.4%的范围内较为合适；对于单体砂型铸造活塞环，主要考虑到其冷却速度较快，为防止硬度过高，宜将碳的质量分数控制在3.4%～3.9%的范围内。

3）控制合金元素的含量。目前国内常用的铸铁活塞环材料中，对磷共晶体有显著影响的合金元素以铬较为突出。铬对提高活塞环的热稳定性及耐磨性等有较好的影响。但铬又是强烈的促使形成碳化物及产生三元磷共晶体的元素。活塞环中的铬的质量分数一般应控制在0.2%～0.4%的范围内。为了充分发挥铬对提高活塞环耐磨性的有利影响，而又避免它的不良作用，最好将铬与铜搭配使用。

关于其他合金元素，如钼、钒、钛、硼、钨等的适宜控制范围，可参考本章前文中的相关内容。

（2）控制冷却速度 铸铁活塞环铸造宜采用较快的冷却速度，以便得到较细小薄片或网络状的磷共晶体。可采用单体铸造、砂衬金属型铸造和砂衬离心铸造等方法。

（3）控制浇注温度和进行孕育处理。在目前冲天炉、冲天炉与电炉双重熔炼或电炉熔炼条件下，适当提高浇注温度对细化二元磷共晶体有一定作用。应根据活塞环的尺寸和铸造方法选择合适的浇注温度。

铸铁活塞环材料应在炉前进行孕育处理，这对提高材料性能、细化晶粒和磷共晶体等均有良好的效果。