活塞環在發動機中(zhōng)起密封、傳熱和支承等作用，因此要求活塞環有良好的耐磨性、彈性和熱穩定性，尤其是對一(yī)道環要求更高。球墨鑄鐵活塞環的開(kāi)發和應用是活塞環制造史上質的飛躍。如何穩定地制造球墨鑄鐵活塞環是活塞環行業面臨的難題。
單體(tǐ)雙片鑄造的設計指導思想是利用銑刀把鑄坯的中(zhōng)心縮松及容易産生(shēng)針孔、夾渣缺陷的上下(xià)表面銑削，從而獲得優良的球墨鑄鐵活塞環。這種鑄造方式國外(wài)已經得到廣泛的應用，并且具有豐富的生(shēng)産經驗，國内許多廠家也接受并開(kāi)始了試制，但還不很成功。其主要原因是原材料問題及球墨鑄鐵活塞環的生(shēng)産工(gōng)藝過于複雜(zá)，很難确保球墨鑄鐵活塞環的基體(tǐ)組織，不能保證鑄件的合格率。雖然本廠引進了全部鑄造的軟硬件，但是在原材料供應、生(shēng)産工(gōng)藝等方面還存在許多問題，試制初期也經常出現球化率不高、球數合格率達不到要求等情況。經過試制和摸索，基本上掌握了适合本廠的生(shēng)産工(gōng)藝，較全面地解決了球墨鑄鐵活塞環鑄造上的技術問題，從而确保了球墨鑄鐵活塞環鑄件的合格率。下(xià)面簡要介紹是如何試制球墨鑄鐵活塞環的。
1、工(gōng)藝可行性分(fēn)析：
德國專家一(yī)再強調“球墨鑄鐵活塞環生(shēng)産的關鍵在于原材料”，沒有合格的原材料是很難生(shēng)産好球墨鑄鐵活塞環的。他們強調采用高純生(shēng)鐵或合成生(shēng)鐵，其成分(fēn)爲：38%～43%c，02%～04%si，004%～015%mn，p<0045%，s<001%，其它元素不得超過003%〔1〕。而國内無此種新生(shēng)鐵資(zī)源，國内有可能供應的生(shēng)鐵成分(fēn)爲：38%～43%c，08%～13%si，02%～05%mn，p<007%，s<003%。這種生(shēng)鐵影響球化處理的關鍵元素mn，p、s超高，給球墨鑄鐵活塞環的生(shēng)産帶來很大(dà)的不利因素。目前國内想找到滿足要求的原材料礦源或合成生(shēng)鐵是很困難的，引進原材料也不現實。因此在選擇原材料時，應盡可能符合國外(wài)要求，試驗選用的生(shēng)鐵成分(fēn)：40%～42%c，080%～09%si，020%～04%mn，004%～006%p，s<0026%。這種生(shēng)鐵與國外(wài)要求的生(shēng)鐵比較有如下(xià)幾個特點：①矽量超高04%～06%。由于使用中(zhōng)頻(pín)爐熔煉，雖會限制回爐料的回收和利用，但還不會構成太大(dà)威脅。②含錳量超高014%～02%。較高的含錳量會影響鑄态組織的控制，随後的鑄坯鐵素體(tǐ)化退火(huǒ)處理可解決這一(yī)難關。但過多的滲碳體(tǐ)出現将會影響球化的合格率及熱處理前後的尺寸控制。③含磷量尚可。即使以後使用的新生(shēng)鐵含磷量稍高(<007%)，也不足以影響金相組織與力學性能。如含磷量太高，會導緻鑄件含磷量>01%，就會在晶界産生(shēng)磷共晶，使強度、韌性、塑性降低。④含硫量超高0016%以上。較高的含硫量會直接消耗球化劑的用量，特别是凝固期間溶解态的硫對石墨球化的影響，會直接影響球化處理的效果，降低力學性能，增加鑄造缺陷(夾渣、皮下(xià)氣孔等)。
碳硫分(fēn)析儀的使用爲及時掌握原鐵液的含硫量，正确控制球化劑的加入量創造了條件，同時m孕育劑的使用也爲球墨鑄鐵活塞環的生(shēng)産起到了輔助作用。經過以上工(gōng)藝分(fēn)析，采用國内的原材料是能夠生(shēng)産出合乎國外(wài)要求的球墨鑄鐵活塞環的。
2、工(gōng)藝性試驗及分(fēn)析：
采用40%～100%上述成分(fēn)的生(shēng)鐵，60%以下(xià)的回爐料，在150kg中(zhōng)頻(pín)爐中(zhōng)熔煉。加強操作工(gōng)藝，确保球化溫度達1500～1550℃，從鐵液出爐至澆注完畢的時間控制在10min之内，确保球化效果。
2.1球化處理：
使用定制的球化劑，成分(fēn)如下(xià)：38%～48%si，50%～65%mg，re≤10%，al≤10%。粒度：5～40mm。此種球化劑與國内常用的稀土矽鐵鎂合金或稀土矽鐵鎂鈣合金球化劑比較，其含鎂量低于前者，又(yòu)高于後者。球化反應較平和，且在保證球化效果的前提下(xià)能較好地控制球化劑的加入量，保證球化劑的吸收率，并且較好地控制鐵液溫度的下(xià)降。另外(wài)，使用的球化劑稀土元素含量極低，從而使球化處理後鐵液中(zhōng)殘留稀土量不緻過高，減少滲碳體(tǐ)的形成；而殘留在鐵液中(zhōng)的微量稀土元素既可抑制球化幹擾元素的作用，又(yòu)可以提高孕育時的成核率。
經過一(yī)系列的試驗發現，活塞環不同的v/o比(斷面面積與周長之比)所需球化劑的加入量不同；不同的原鐵液含硫量所需球化劑的加入量也不同。球化劑的加入量是燒損量、去(qù)硫耗鎂量與殘餘鎂量的總和。
由于原鐵液出爐溫度、球化處理方式、停留時間的長短都将影響鎂的損耗量，爲了正确控制球化劑的加入量，對生(shēng)産中(zhōng)變化較大(dà)的因素加以控制，球化溫度應控制在1500～1550℃(最佳在1530～1550℃)，球化劑加入采用凹坑包底沖入法，球化處理後澆注時間不超過8min(最佳控制在6min内)。在操作周期和工(gōng)藝基本不變的情況下(xià)，認爲鎂的燒損量基本一(yī)緻。由于原鐵液含硫量較高，不可能達到<0018%的要求，球化劑的加入量需考慮去(qù)硫耗鎂量。碳硫分(fēn)析儀的快速測定，能及時提供原鐵液的含硫量，試驗中(zhōng)原鐵液的含硫量在002%～003%，去(qù)硫耗鎂量在00076%上下(xià)波動，這在工(gōng)藝上是可以接受的。
球化劑的用量直接影響殘餘鎂量的多少。如果球化劑加入量過多，就會引起殘餘鎂量過多，雖然不緻于影響球化合格率(球徑大(dà)小(xiǎo)仍屬正常)，但是它會增加收縮，引起脆性。同時由于原鐵液含錳量偏高，球化劑加入量過多，較易出現碳化物(wù)，白(bái)口傾向嚴重，導緻球數合格率的下(xià)降；如果球化劑加入量過少，就會導緻殘餘鎂量不足，影響球化的合格率，球數合格率也會降低。表1是在正常試驗情況下(xià)的結果，并說明如下(xià)：①球化劑加入量14%時，由于殘餘鎂量不足，出現蠕蟲狀石墨；②加入量18%時，由于殘餘鎂量過多，出現碳化物(wù)，導緻球數下(xià)降，不過二者球徑大(dà)小(xiǎo)仍合乎要求；③球化合格率非球化率。
2.2孕育處理：
球墨鑄鐵活塞環生(shēng)産中(zhōng)使用的孕育劑是特制的混合孕育劑，由定制的s孕育劑和m孕育劑按一(yī)定比例混合而成。對單體(tǐ)雙片球墨鑄鐵活塞環的孕育效果明顯好于常用的fesi75孕育劑。試驗中(zhōng)使用的s孕育劑成分(fēn)爲：73%～78%si，07%～10%sr，06%～10%ca，al≤10%。m孕育劑成分(fēn)爲：43%～47%si，10%～15%mg，06～09%ca，al≤10%。
混合孕育劑的最大(dà)特點是不僅能較好地防止鑄态白(bái)口，促使生(shēng)成鐵素體(tǐ)，細化石墨球，減少鑄造缺陷，而且特有的球化元素mg、sr、ca在鐵液溫度相對較低情況下(xià)的微量補充，不但能顯著增加石墨球的數量，而且能穩定球化，使球形更圓整。表2是不同孕育劑加入量對球化處理合格的鐵液進行孕育的結果。對表2結果說明如下(xià)：①球數合格率是在球化合格基礎上統計的；②孕育劑加入量<04%時，石墨核心逐漸減少，石墨球變大(dà)，數量減少，圓整度變差，出現自由滲碳體(tǐ)；③孕育劑加入量05%時球數不再增加，但總的石墨含量增多，球徑加大(dà)，有開(kāi)花現象；④加入量06%時石墨球開(kāi)花現象嚴重，由于相對含矽量增多，碳當量過高，出現了石墨漂浮現象。
總之，适當的孕育劑加入量，并采取瞬時孕育快速澆注，既可保證基體(tǐ)組織，又(yòu)能有效地消除自由滲碳體(tǐ)，并且可使磷共晶彌散，降低終矽含量，有利于韌性的提高。從表2也可看出，最佳的混合孕育劑加入量爲04%。
3、原鐵液碳、矽的控制：
3.1碳量
球墨鑄鐵活塞環中(zhōng)的碳不象灰鑄鐵環那樣損害力學性能，隻要不産生(shēng)石墨漂浮，選擇高碳反而有利：①碳高石墨結晶晶核多，使石墨球細化，能提高球的圓整度；②碳高石墨化膨脹大(dà)，使活塞環更緻密，可減少縮性；③碳高使球墨鑄鐵更接近共晶成分(fēn)，有利于流動性的提高。但是過高的碳量，也就是超過共晶點的碳量會導緻開(kāi)花狀石墨，使形态惡化，嚴重時會出現石墨漂浮，鐵液流動性亦由此下(xià)降，鑄環上表面氣孔缺陷增多。視環樣v/o值，碳量宜控制在365%～38%。
3.2矽量
矽是強烈的石墨化元素，由孕育劑進入鐵液中(zhōng)的矽比鐵液中(zhōng)原有矽的石墨化能力更強。由于活塞環在鑄型中(zhōng)的冷卻速度非常快，隻有達到goetze技術條件規定的石墨球數(>30000球粒/cm2)才有可能達到鑄态基體(tǐ)組織中(zhōng)滲碳體(tǐ)<5%。所以孕育是至關重要的，應選擇如上所述的有強烈孕育作用的孕育劑，但用量不宜超過06%，以免出現開(kāi)花狀石墨。爲具有足夠的石墨化能力，視環樣v/o比值，總矽量宜在24%～28%，扣除孕育劑、球化劑中(zhōng)帶入的矽，控制原鐵液中(zhōng)的矽含量。

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