铸铁材料单体活塞环的弹性模量控制

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Key words：Cast iron piston rings Elastic modulus Graphite morphology1 概述目前钢与铸铁已成为活塞环的基本材料，因铸铁材料有着良好的机加工性能，铸铁中的石墨有优良的自润滑功能，在大功率的发动机上有不可替代的优势。加上材料的牌号特别齐全，能满足设计人员对不同性能的发动机的需求的选择，所以铸铁材料在活塞环的材料 中占70%以上。

铸铁材料活塞环的质量优劣判别的依据 ：-是金相组织、主要为石墨形态(石墨以何种型态为主、分布、大孝数量)，基体组织 ；二是机械性能，主要指标是弹性模量、抗弯强度。成品活塞环的弹力主要由材料自身的弹性模量决定.活塞环抗断裂的性能主要由材料的抗弯强度决定。铸铁材料活塞环通常分三大类别，低合金铸铁、高合金铸铁及球墨铸铁。-般把低合金铸铁 、高合金铸铁通称为灰铁 ，灰铁在实际生产中弹性模量的控制难度比抗弯强度要大得多，本文着重介绍铸铁材料在生产过程中的弹性模量控制2 我公 司典型活塞环铸铁材料的牌号及机械性能典型弹性 典型抗弯强度 典型硬度值 材质模量 E GPa bh GPa HRB标准STD 95 390-430 l0o-103合成铸铁 lO8 540 101-104G3 lO5 540 108-114G2 l2O 580 114-l17F14 135 650-700 110-114典型弹性 典型抗弯强度 典型硬度值 材质模量 E GPa b GPa HRB可锻铸铁 150 800 103-107蠕墨铸铁 153 1030 102-1o6球墨铸铁 155 130o 106-11O3 活塞环弹性模量E的主要影响因素铸铁材料活塞环的E值主要撒于石墨形态、数量、大邪分布，其影响主要表现在石墨末端的切口应力作用上、材料受到外部应力及内部残余应力，材料的基体组织影响较校-般合金元素的加入量多少主要通过影响石墨形态影响弹性模量，其作用明显不tnc%、si%强.但合金量对基体组织影响大，对抗弯强度的作用明显。

球墨铸铁的石墨呈球状 ，石墨的切口作用基本等于零，材料弹性模量接近钢f约钢的弹性模量 (1-石墨占有体积百分比)1。蠕墨铸铁、可锻铸铁由于石墨末端曲率半径较大，石墨的切口作用相当小，其E值接近球墨铸铁，比灰铸铁的E值要高得多；灰铸铁的E值 主要撒于石墨 的分布 、数量 、大小 ，其 中高合金铸铁及合成铸铁石墨主要呈E型、D型、B型及细小A型，石墨尺寸细小，弥散分布于枝晶问，石墨端部曲率半径比F型、A型的稍大，其切口应力集中的程度比F型、A型的要小些，其弹性模量E值就比F型、A型的要大些。在低合金灰铸铁(标准材质)中，简体环因碳当量较低，石墨数量少，弹性模量较高；单体单片环则相反，单体双片或单体三片 、四片在相当于筒体环。筒体环的石墨以A型或A型B型为主.石墨数量较少，但石墨长度较长；单体单片环则以F书k善 弛术i -技-∞艺w工 ；池g 谢仁叶：铸铁材料单体活塞环的弹性模量控制 7型A型或A型F型为主，石墨数量较多：单体双片或单体三片、四片以以A型或A型B型为主。石墨数量比筒体多，比单体单片少，石墨长度短。这样就形成筒体环的弹性模量E较高，单体单片环E值较低，单体双片或单体三片、四片的E值则与简体环相当。因单体双片的同片环硬度均匀性 ，弹性模量的散差小，近年单体双片铸造已成为活塞环行业的发展的主方 向。

低合金灰铸铁材料的弹性模量可控制在典型值100 GPa，在工艺技术领先的行业领导者，控制范围在典型值±5 GPa，单体双片能在±2.5 GPa：其它铸铁材料也应控制在典型值±5 GPa，如超出上述范围，则必须检查原因，采取有效措施，力争将机械性能控制在-个较窄的范围内。钢的弹性模量范围比铸铁高且窄，-般为203-213 GPa。

基体组织对材料的弹性模量E值影响较小 .其中调质组织的稍高些，珠光体为主的基体稍低些。

材料受到的外应力主要为表面处理层、不 良的机加工或安装.使材料受了-定量的压应力.测量时活塞环的弹力中包含了这些压应力.所以测定的E值就不真实。材料的内应力包括铸造应力、切削应力、热处理及氢脆等表面处理造成的残余应力。热处理的影响典型为球墨铸铁的调质处理.淬火后 .E值下降20-25%，这与淬火产生的显微和亚显微应力有关，回火后由于消除了应力，E值得以恢复。

4 铸造生产过程中提高、稳定弹性模量E的途径因活塞环椭 圆毛坯加工 的成 品弹力 压力 曲线分布最好 ，现行业内规模大厂均采用单体椭圆毛坯铸造工艺 ，不同的是实力强的双片比例明显较高。

球铁环及高合金环份额大。因优质的毛坯是铸造生产出来的，不是检验出来的。要想在激烈的市澈争中领舞，没有过硬的工艺技术及严格的管理势必是万万不行的♂合本人多年在铸造车间从事技术管理经验，分别介绍常用三大类铸铁材质的提高、稳定弹性模量的方法，希望能起到抛砖引玉的作用。

4.1 质量管理4.1.1配料、生铁、回炉料必须称量，精确到lOkg，合金精确No.1lkg，称量的器具定期校准，确保精度。

4.1.2回炉料的管理 ，不 同材质 的回炉 料要分开摆放，标识清晰；在生产过程中从落砂、清理、外观分癣到炉前配料使用必须严格管理.不能混料：批量大的回炉料必须考虑周转平衡.原则上要至少保持3炉以上，当然也不是多多益善。

4.1.3炉前快速分析，-般规模稍大的企业具有光谱分析仪，但光谱测量非金属元素C、S的精度偏差，最好在配置碳硫分析仪。-般炉前取样后3-5分钟后便能准确掌握炉内铁水的化学成分；仪器分析数据的精度要经常校准，确保精确控制。

4.1.4快速测温，-般企业炉前均配置测温仪或测温枪 ，出炉温度必须严格按工艺规定 ；最好再配置便携式测温枪 ，测定浇注温度 ，每种材质的浇注温度最好能控制在10C，最低浇注温度要求不低于1400C(-般以浇注最好-型温度为基准)，当然测温仪器也要定期校准，确保精度。

4.1.5品种搭配生产 ，现在多品种、小批量已成为发展趋势，但绝对不-炉产品大、蟹通吃，品种合理搭配，先后浇注次序 。中间合理调整是毛坯弹性模量控制的关键 。

4.1.6批次管理 ，最好能做到以炉次为单位 ，如果不能做到以炉次为单位最经济批量应控制在2000片左右 (大、蟹稍有差异 )；金相检验 明显偏粗或偏细的(在金相检验合格范围内)应在产品流转卡注明，单独流转。

4.1.7弹性模量E值及时验证。即使同材质，但因成品尺寸(环高、径向厚度)差异较大的，相同的弹性模量 ，但石墨形态，石墨数量肯定不-样，要确定常规品种弹性模量E值最佳控制的石墨图片，便于生产过程精确控制。

4.2 工艺管理4.2.1灰铸铁(标准材料1(1)碳、硅量控制，因石墨形态、数量 、大小主要影响元素为C、Si，所 以重点控制C、Si。

状态 片别 C% Si%单片 3.65-3.85 2.2-2.5炉前双 片 3.40-3.55 2.0-2.2单片 3.60-3.80 2.6-2.8炉后双片 3.35-3.50 2.6-2.8注：断面系数 大的取下限.断面系数 小的取上限(21炉前控制要点 ，单片环炉前调整尽 量不使用废钢.避免出现大量的过冷石墨：炉前增碳用碳化硅替代碳粉 ，避免F型数量多及F型偏析。双片环炉前旧能不用碳粉或碳化硅，避免出现少世F型；废钢量不能超过电炉容量5%，避免过冷石墨超标报废。出炉温度1540-1580℃，断面系数小的取上限，断面系数大的取下限。单片环-般使用复合孕育剂，10 内 燃 机 与 配 件 2013年第 4期工件手压泵外壳，件8连接套用于连接车床尾架顶尖保证件7固定压套为活动连接，避免在滚切时手压泵外壳发生变形。滚切前车床尾架前移并锁紧，滚切完成后将车床尾架退回工件即可拿下；件9刀杆是连接件l0滚轮与刀架的桥梁 。先把件l2刀座 、件10滚轮件11圆螺母依次装到件l4芯轴上，滚轮通过件l3六角螺母固定琐紧，然后再装到件9刀杆上并用件16圆螺帽2只琐紧，最后将件9刀杆固定到车床的刀架上 。

(2)I作过程如下：先将加工件6滤座放在夹具的固定位置，再将加工件1、2、3、4、5依次装好放在滤座上用左手扶住，用右手摇动车床尾架至车夹具件7固定压套压住手压泵外壳稍感费力即可 ，此时松开左手 ，然后启动车床主轴旋转 ，再移动刀架进刀进行滚切，工件铆合好后先退出滚轮 .再停止主轴转动。再将车床尾架退回工件即可拿下。

4 设计要点(1)件1过渡连接盘定位内孑L与车床花盘外圆为间隙配合，配合最大问隙为0.1mm，既保证加工精度又方便装夹：(2)件2夹具体与件1过渡连接盘用两个腰形孑L连接 ，腰形孔开裆距离尽量大-些 ，这样连接强度更大：(3)件7固定压套的外径应小于滤座铆合直径2mm；内孔要大于手压泵盖的外径，最好与滤座内槽重合 ：(4)件7固定压套与件8连接套连接后，件7要摆动自如，在压紧时件7固定压套的外径与手压泵外壳的外漏要均匀：(5)件8连接套与车床尾架顶尖配合为过盈配合.最大过盈量为0.02 mm。保证在加工过程中不脱落 ：(6)件9刀杆和件12刀座内部均装有滚动轴承以保证滚轮在滚切时转动自如。

5 结束语该套车夹具制作完成后经样件生产、小批量试生产、批量生产等几个阶段的验证，现生产过程稳定，CPK≥1.67；完全符合产品图纸设计要求 ，保证产品按时发货，赢得了客户的好评。

当然，此项工序如采用其它设备或专机也可以完成，但从制造成本、生产周期及完成的效果来说，采用车床不仅利用率高且制作更便捷。大大降低了制造成本和时间。

作者简介：于新华，女，蚌埠金威滤清器有限公司 工程师。从事机械加工专业20余年(上接第8页)最佳 ，D型 、E型均无旧能避免 。出炉温度1580-1600 ，断面系数小的取上限，断面系数大的取下限。孕育仅用硅锶，Sr%-般在1.5%左右，孕育量0.4-0.8%；孕育处理时孕育量合适与否要及时取毛坯断口分析，断 口银灰色，晶粒细小 ，隐约可见，四个边角无麻15、白口，断 口齐整 ，断 口上必须见到多条短小的斜纹(3)理想石墨形态(100X)(见图4)，细小的A型B型为主 ，石墨长度30-501.zm，弹性模量130-140GPa。

图45 结束语活塞环的弹力高低是由材料的弹性模量来决定的，当然出现异常，可以提高调整自由开口尺寸或径向厚度。但前提同批产品的弹性模量散差不能过大，最好能控制在±5 GPa以内。稳定的、优良的铸铁材料毛坯 的生产必须依靠科 学的管理和较高水准的工艺技术，三分技术、七分管理。我们与世界顶级活塞环同行制造商比，就是产品的稳定性相差太远 ，打样产品有时我们 国内制造的甚至领先于国外同行 ，但-批量生产，我们立马原型毕露.差距立即体现。在此本人强烈呼吁国内的同仁们，要刻苦专研，苦练内功，力争早日实现制造强国”。