发动机缸套铸铁材料改进研究

赵 峰

（郑州煤矿机械制造技工学校，河南 郑州 450013）

1 发动机缸套的破坏形式分析

发动机缸套与活塞之间的摩擦是一个典型的摩擦学系统，存在着许多类型的摩擦与磨损，摩擦、磨损和润滑相互作用非常显著。且在最高2800 K的高温和最高可达5 MPa高压下及润滑条件不良且固体微粒和腐蚀介质条件下作高速相对运动，零件内部产生很大的机械应力和热应力，同时承受强烈的摩擦和磨损。关于发动机汽缸的摩擦问题是提高其可靠性和耐久性、保证发动机经济性具有决定性作用。

缸套和活塞环之间的磨损是磨损的最主要部分。减少缸套和活塞环间的磨损是提高发动机使用寿命的主要任务。缸套和活塞环的磨损是很复杂的，受许多因素的影响，同时磨损包含着粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等多种形式的磨损。其中在缸套活塞环间的磨损在上、下死点出磨损最大。发动机的汽缸套的腐蚀破坏多发生在缸套冷却水侧表面连杆运动平面内，发动机运动一段时间后，在缸套承受活塞侧压力的一侧，出现聚集的凹穴和麻点，在随着时间的延长凹穴和麻点不断增多加深，形成大蚀坑。发动机工作过程中是依靠作用于活塞上的燃气压力来完成的，燃气压力是不断变化的，随着曲柄位置的不同，在连杆摆动的平面内同时有交变的横向力和轴向力作用于活塞。发动机工作时在横向力的作用下，活塞发生横向摆动从而产生对缸套的撞击。缸套壁受到撞击时会产生局部变形，由于缸套表面的变形，诱发裂纹沿晶界萌生及扩展，而且在晶体内强韧性相对较差的局部微区形成蚀坑，造成缸套表面的破坏，产生空蚀磨损。

根据上述的摩擦分析正确选择摩擦副材料是减少磨损的关键，所以应选择机械性能较高，且还要在高温作用下保证足够的强度和硬度。目前发动机缸套是灰铸铁，灰铸铁的机械性能和高温下的强度和硬度较低，受到的磨损较大，选择一种新的材料取代灰铸铁显得尤为重要。由于活塞的运行过程中，缸壁承受高压气体和活塞的侧推力引起应力，以及由于高温气体引起的热应力，使造成缸套变形或材料过早疲劳破坏。也是考虑所选材料具有一定的结构强度和疲劳强度。根据上述的摩檫、力学和腐蚀破坏分析，正确选择摩擦副的材料是提高缸套-活塞环耐磨性、耐腐蚀性、寿命的关键。

2 蠕墨铸铁和灰铸铁性能比较

蠕墨铸铁有较好机械性能，虽然蠕墨铸铁的塑性较低。但抗拉强度和屈服强度和可锻铸铁相似。全部珠光体的蠕墨铸铁缸体的抗拉强度比珠光体灰铸铁高两倍，即使70%珠光体的蠕墨铸铁缸体的抗拉强度也比珠光体灰铸铁高，还具有较好的塑性。

（1）刚度方面。蠕墨铸铁的弹性模量比灰铸铁提高30%～40%，减少变形，降低振动，其结果便于轻量化。

（2）疲劳强度方面。由于蠕墨铸铁独特的石墨形态使其减少了裂纹的产生和扩展，因而其疲劳强度是均好于灰铸铁。

（3）硬度方面。采用简单的冶金技术，改变蠕墨铸铁的基体结构，能达到提高硬度等级的目的，70%珠光体的蠕墨铸铁与100%珠光体的灰铸铁的硬度相同，且具有更高的抗拉强度。

（4）蠕墨铸铁高温性能。在500℃保持32周的蠕铁生长及起皮实验中表明：蠕铁的生长及起皮与成分相似的灰铁无显著差异。在600℃时，蠕铁抗生长与抗起皮能力则比灰铸铁好，退火铁素体的蠕铁的抗拉强度和屈服强度直至500℃有一定的下降。在300℃以前，强度下降的很小。在300～500℃之间相应都有一定程度的强度下降和塑性的增加。此外，蠕墨铸铁的其它性能，如导热性、铸造工艺性以及机加工性等，与灰铸铁相近，而耐热疲劳强度和耐腐蚀等，优于灰铸铁。

3 蠕墨铸铁的耐磨性分析

在耐磨性方面。蠕墨铸铁中的石墨表面粗糙，限制了石墨的脱离，使得石墨粒子在表面长期存在，因此其耐磨性比灰铸铁高40%～70%，但是由于灰铸铁中C元素以片状石墨长且薄，表面平坦，端部尖锐，在承受载荷时尖锐部位易产生应力集中，成为灰铸铁破坏的起点，造成铸件的强度和韧性的下降，石墨虽然是优良的固体润滑剂，能防止剧烈的磨损，但其平坦的表面易造成石墨的脱落，同时尖锐部的端部产生裂纹扩展，反而引起磨损的加剧，所以由于片状石墨的存在，使得为了继续提高灰铸铁的强度、韧性和耐磨性变的极为困难。所以从石墨的形态出发，用蠕墨铸铁取代灰铸铁的最好材料。蠕墨铸铁的石墨形状与片状石墨相比，其长度较短而厚，端部较圆，且表面粗糙，较圆的端部能抑制裂纹的发生和扩展，粗糙的表面也能限制石墨的脱落，这种独特的石墨形状与灰铸铁相比，能大大的提高抗拉强度，疲劳强度，弹性模量和耐磨性能。还有人认为，蠕墨铸铁的金相组织具有框络结构强化了蠕墨铸铁的组织，是蠕墨铸铁有了好的机械性能，在承受润滑摩擦时，球铁筐络凸起，蠕墨共晶团下凹而储油，从而使蠕墨铸铁具有良好的减磨性能。

4 结语

综上所论，蠕墨铸铁不仅具有以上所要求的性能外，且在机械性能方面优于灰铸铁，用蠕墨铸铁代替灰铸铁作发动机的汽缸材料在机械性能、用寿命、重量、尺寸、等诸多方面。都有显著由于蠕墨铸铁具有如此优良的性能，因此用蠕墨铸铁替代灰铸铁气缸体材料，可以减小缸体壁厚，减轻缸体质量，降低磨损和油耗，提高发动机效率和使用寿命。发动机上采用蠕墨铸铁材料，使发动机质量减轻20%，功率提高1.7倍。

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