發動機缸套鑄鐵材料改進研究

趙 峰

（鄭州煤礦機械制造技工學校，河南 鄭州 450013）

1 發動機缸套的破壞形式分析

發動機缸套與活塞之間的摩擦是一個典型的摩擦學系統，存在著許多類型的摩擦與磨損，摩擦、磨損和潤滑相互作用非常顯著。且在最高2800 K的高溫和最高可達5 MPa高壓下及潤滑條件不良且固體微粒和腐蝕介質條件下作高速相對運動，零件內部產生很大的機械應力和熱應力，同時承受強烈的摩擦和磨損。關于發動機汽缸的摩擦問題是提高其可靠性和耐久性、保證發動機經濟性具有決定性作用。

缸套和活塞環之間的磨損是磨損的最主要部分。減少缸套和活塞環間的磨損是提高發動機使用壽命的主要任務。缸套和活塞環的磨損是很復雜的，受許多因素的影響，同時磨損包含著粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損等多種形式的磨損。其中在缸套活塞環間的磨損在上、下死點出磨損最大。發動機的汽缸套的腐蝕破壞多發生在缸套冷卻水側表面連桿運動平面內，發動機運動一段時間后，在缸套承受活塞側壓力的一側，出現聚集的凹穴和麻點，在隨著時間的延長凹穴和麻點不斷增多加深，形成大蝕坑。發動機工作過程中是依靠作用于活塞上的燃氣壓力來完成的，燃氣壓力是不斷變化的，隨著曲柄位置的不同，在連桿擺動的平面內同時有交變的橫向力和軸向力作用于活塞。發動機工作時在橫向力的作用下，活塞發生橫向擺動從而產生對缸套的撞擊。缸套壁受到撞擊時會產生局部變形，由于缸套表面的變形，誘發裂紋沿晶界萌生及擴展，而且在晶體內強韌性相對較差的局部微區形成蝕坑，造成缸套表面的破壞，產生空蝕磨損。

根據上述的摩擦分析正確選擇摩擦副材料是減少磨損的關鍵，所以應選擇機械性能較高，且還要在高溫作用下保證足夠的強度和硬度。目前發動機缸套是灰鑄鐵，灰鑄鐵的機械性能和高溫下的強度和硬度較低，受到的磨損較大，選擇一種新的材料取代灰鑄鐵顯得尤為重要。由于活塞的運行過程中，缸壁承受高壓氣體和活塞的側推力引起應力，以及由于高溫氣體引起的熱應力，使造成缸套變形或材料過早疲勞破壞。也是考慮所選材料具有一定的結構強度和疲勞強度。根據上述的摩檫、力學和腐蝕破壞分析，正確選擇摩擦副的材料是提高缸套-活塞環耐磨性、耐腐蝕性、壽命的關鍵。

2 蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵性能比較

蠕墨鑄鐵有較好機械性能，雖然蠕墨鑄鐵的塑性較低。但抗拉強度和屈服強度和可鍛鑄鐵相似。全部珠光體的蠕墨鑄鐵缸體的抗拉強度比珠光體灰鑄鐵高兩倍，即使70%珠光體的蠕墨鑄鐵缸體的抗拉強度也比珠光體灰鑄鐵高，還具有較好的塑性。

（1）剛度方面。蠕墨鑄鐵的彈性模量比灰鑄鐵提高30%～40%，減少變形，降低振動，其結果便于輕量化。

（2）疲勞強度方面。由于蠕墨鑄鐵獨特的石墨形態使其減少了裂紋的產生和擴展，因而其疲勞強度是均好于灰鑄鐵。

（3）硬度方面。采用簡單的冶金技術，改變蠕墨鑄鐵的基體結構，能達到提高硬度等級的目的，70%珠光體的蠕墨鑄鐵與100%珠光體的灰鑄鐵的硬度相同，且具有更高的抗拉強度。

（4）蠕墨鑄鐵高溫性能。在500℃保持32周的蠕鐵生長及起皮實驗中表明：蠕鐵的生長及起皮與成分相似的灰鐵無顯著差異。在600℃時，蠕鐵抗生長與抗起皮能力則比灰鑄鐵好，退火鐵素體的蠕鐵的抗拉強度和屈服強度直至500℃有一定的下降。在300℃以前，強度下降的很小。在300～500℃之間相應都有一定程度的強度下降和塑性的增加。此外，蠕墨鑄鐵的其它性能，如導熱性、鑄造工藝性以及機加工性等，與灰鑄鐵相近，而耐熱疲勞強度和耐腐蝕等，優于灰鑄鐵。

3 蠕墨鑄鐵的耐磨性分析

在耐磨性方面。蠕墨鑄鐵中的石墨表面粗糙，限制了石墨的脫離，使得石墨粒子在表面長期存在，因此其耐磨性比灰鑄鐵高40%～70%，但是由于灰鑄鐵中C元素以片狀石墨長且薄，表面平坦，端部尖銳，在承受載荷時尖銳部位易產生應力集中，成為灰鑄鐵破壞的起點，造成鑄件的強度和韌性的下降，石墨雖然是優良的固體潤滑劑，能防止劇烈的磨損，但其平坦的表面易造成石墨的脫落，同時尖銳部的端部產生裂紋擴展，反而引起磨損的加劇，所以由于片狀石墨的存在，使得為了繼續提高灰鑄鐵的強度、韌性和耐磨性變的極為困難。所以從石墨的形態出發，用蠕墨鑄鐵取代灰鑄鐵的最好材料。蠕墨鑄鐵的石墨形狀與片狀石墨相比，其長度較短而厚，端部較圓，且表面粗糙，較圓的端部能抑制裂紋的發生和擴展，粗糙的表面也能限制石墨的脫落，這種獨特的石墨形狀與灰鑄鐵相比，能大大的提高抗拉強度，疲勞強度，彈性模量和耐磨性能。還有人認為，蠕墨鑄鐵的金相組織具有框絡結構強化了蠕墨鑄鐵的組織，是蠕墨鑄鐵有了好的機械性能，在承受潤滑摩擦時，球鐵筐絡凸起，蠕墨共晶團下凹而儲油，從而使蠕墨鑄鐵具有良好的減磨性能。

4 結語

綜上所論，蠕墨鑄鐵不僅具有以上所要求的性能外，且在機械性能方面優于灰鑄鐵，用蠕墨鑄鐵代替灰鑄鐵作發動機的汽缸材料在機械性能、用壽命、重量、尺寸、等諸多方面。都有顯著由于蠕墨鑄鐵具有如此優良的性能，因此用蠕墨鑄鐵替代灰鑄鐵氣缸體材料，可以減小缸體壁厚，減輕缸體質量，降低磨損和油耗，提高發動機效率和使用壽命。發動機上采用蠕墨鑄鐵材料，使發動機質量減輕20%，功率提高1.7倍。

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