冷激铸铁挺柱金相组织控制

    在内燃机三对主要摩擦副中，工作条件较恶劣，存在间题较为突出的是凸轮一挺柱这对摩擦副。冷激铸铁挺柱是国内70年代开发的一种新型耐磨材料。与钢挺柱相比，具有抗擦伤能力强、耐磨性好、使用寿命长等优点。能适应当前内燃机转速不断提高，功率不断增大的要求。近几年在汽车、农机等行业得到了广泛的应用。

一、冷激铸铁挺柱失效原因分析

    冷激铸铁挺柱失效主要形式是工作表面剥落。剥落可分为二种形态:即端面点蚀和端面大块剥落。大块剥落是点蚀的发展和继续。其主要原因是冷激铸铁挺柱的金相组织不稳定，波动较大。控制石墨、渗碳体及珠光体的大小、数量、形状和分布状况是保证冷激铸铁挺柱质量的关键。分布均匀且细化的基体组织，尽量减少石墨和铁素体数量有利于提高冷激铸铁挺柱的抗点蚀，抗剥落性能。

二、冷激铸铁挺柱成分与金相组织

冷激铸铁挺柱的化学成分及性能比较见下表。

目前我国的冷激挺柱在成分控制、金相组织与国外较为接近，差异很小。但许多国内生产单位在日常生产中，金相组织控制不稳定，波动较大，影响了挺柱的耐磨性能。因此，如何控制好金相组织是获得优质挺柱的关键。

三、冷激挺柱的几种典型金相组织缺陷及其控制方法

3.1 珠光体聚集

在冷激挺柱的金相组织中，常出现珠光体聚集。以团块状形态出现，也有资料称为“共晶团聚集”。在铸件冷激面上出现许多“软点”或“软点带”。硬度一般在HRC30～35左右，试样经抛光后，出现灰暗区，便是此类组织的典型表面。

    其产生主要原因有：

    (1) 铁水过热温度不够，铁水中存在较多非自发结晶核心，这些杂质亦成为共晶团成核的晶核，并由于冷却速度较慢，使其有足够条件长大。

    (2) 孕育处理不当。如孕育剂的块度或孕育量不合适，造成孕育剂的局部偏析。

    (3) 浇注温度过低或浇注速度过慢，或断流，铁水在接近冷激板的铸件表面冷却不一致，甚至产生冷隔。凡冷激面出现“波纹状”的铸件均有珠光体聚集缺陷存在。

    (4) 浇注系统开设不合理，铁水进入铸型后不能迅速地铺满整个冷激面，或铁水在铸型内出现紊流，产生了温度梯度界面，珠光体在界面处成核长大。

    (5) 冷激层深度控制过浅，磨削加工后麻口区外露。

根据我们的经验，解决珠光体聚集缺陷的主要措施有:

①铁水过热温度应高些，一般在1450℃以上。为解决高温带来的原铁水冷激层深度过大，白口调整困难，应尽量缩短铁水在高温区停留时间。铁水温度达1350℃左右，迅速提温，以消除原材料，特别是生铁中原始组织带来的影响，同时注意控制好原铁水白口倾向。并根据浇包大小选择孕育剂粒度和孕育量，孕育后的铁水要搅拌均匀。

②合理开设浇注系统，一般来说，中心内浇道有利十铁水均匀地向四周铺开，采用理想的浇注温度和尽快的浇注速度，使整个冷激面结晶条件趋向一致，避免冷激面出现冷隔是消除珠光体聚集的有效措施。

③在保证切削加工性能的前提下，尽可能把冷激层深度选择在中、上限。冷激层深度小于3mm则有珠光体聚集的危险。

3.2 冷激面金相组织不均匀

    冷激面组织局部粗大造成了挺柱在工作中抗塑性变形能力较弱区，使整个工作面塑性变形不均匀，点蚀和剥落首先在这些较弱区产生，进而使整个零件失效。

    形成原因除熔化、浇注等因素外，冷激板表面平整状况也是造成该缺陷的主要原因。采用石墨板作为激冷材料，由于石墨板强度较低，在使用过程中易出现凹坑和局部损坏，造成了铸件冷激表面的不平整，亦造成了加工量的差异，致使工件冷激面金相组织差异较大。采用铸铁板作为冷激材料，因和高温铁水的反复接触往往使铁板产生“龟裂”，如不及时更换也会因铸件冷激面出现披缝、毛刺而产生类似的金相组织缺陷。因此，保证冷激板的平整是解决铸件冷激面金相组织不均匀的有效措施。

3.3 渗碳体量过多

    冷激挺柱金相组织为莱氏体、珠光体和渗碳体加少量点状石墨。碳化物起骨架支撑作用，有良好的抗粘着磨损能力。但碳化物量过多，会使挺柱脆性增加。造成碳化物量过多的主要因素是铁水化学成分不当。

    (1) 铁水碳量过高，为过共晶。铁水凝固时，在共晶转变前先析出一次渗碳体。因此造成了发达的渗碳体组织。

    (2) 促使形成碳化物的合金元素如铬、铝、钦等合金加入量过高。

    (3) 炉前孕量过小。

影响渗碳体量较为敏感的是铁水含碳量，一般希望含碳量不超过3.6%。

3.4 莱氏体枝晶“倒伏”

    冷激铸铁挺柱的疲劳裂纹源于次表层且平行于次表层扩展，因此在金相组织中出现莱氏体“倒伏”则会加速裂纹的延展。我们希望莱氏体组织垂直于冷激面方向凝固结晶。

但由于过冷度及渗碳体各自向异性影响，使莱氏体结晶时，沿[010]方向分枝长大，造成了发达的莱氏体枝晶组织，或称为莱氏体枝晶“倒伏”，形成该缺陷的原因：a.结晶凝固温度间隔较大，使莱氏体共晶有足够的生长条件和时间。b.冷激板的激冷效果不够理想，没有足够的冷却速度。采用近共晶或共晶成分铁水，增加冷激板的厚度或降低冷激板的温度，则可克服莱氏体“倒伏”缺陷。

四、结论

    1.控制好金相组织是冷激铸铁挺柱生产的关键，理想的金相组织能提高挺柱的抗剥落性能。

    2.严格控制铁水化学成分，特别是对碳量的控制，制定合理的熔炼工艺及炉前孕育处理工艺是保证金相组织均匀、细化、比例适宜的重要手段。

    3.浇注系统的开设和浇注操作必须满足快浇的要求，以避免冷隔和组织不均匀。

4.冷激板应保证平整、完好并有理想的厚度，以达到冷激面铁水凝固的一致性。

参考资料

罗金才，冷激铸铁挺柱金相组织控制探索，现代铸造,1994,1