合金灰口鑄鐵氣缸套組織形貌與耐磨性研究

胡豐澤 郭俊寶 于靜

摘要： ?針對5種成分和組織的灰口鑄鐵氣缸套，包括2種貝氏體鑄鐵氣缸套和3種珠光體鑄鐵氣缸套，全面分析了其成分、相組成及硬度等材料特性，將噴鉬活塞環與5種合金灰口鑄鐵氣缸套對磨，通過比較各配對副的摩擦磨損性能，獲得了噴鉬活塞環與5種合金灰口鑄鐵氣缸套的匹配規律。研究結果表明：5種氣缸套材料均為由硬質相、基體和石墨構成的復合耐磨結構，各組分的性能、分布及其配比，是決定耐磨性的關鍵因素。珠光體基體氣缸套的磨損量相對穩定，氣缸套與活塞環的相對磨損量正常；鑄態貝氏體氣缸套磨損較輕，配對活塞環的磨損量比珠光體氣缸套大；貝氏體氣缸套和活塞環的磨損均量很小。

關鍵詞： ?合金鑄鐵；灰口鑄鐵；氣缸套；活塞環；耐磨性；摩擦；匹配

DOI ?： ??10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.001

中圖分類號： TK423.2 ??文獻標志碼： ?B ??文章編號： ??1001-2222（2024）01-0001-07

柴油機氣缸套-活塞環摩擦副的主要功能是在活塞往復運動過程中對高溫、高壓燃氣進行密封，其摩擦表面不但承受高溫、高壓沖擊作用，而且溫度、載荷和速度呈周期性變化，工況條件非常惡劣［1］。高轉速和高爆發壓力是當今世界柴油機技術發展的一個必然趨勢，但高強化柴油機對活塞環-氣缸套的摩擦磨損性能提出了更高的要求［2］。

氣缸套材料一般使用鑄鐵，其中以灰口鑄鐵為主流，有時也使用球墨鑄鐵或者蠕墨鑄鐵。傳統鑄鐵氣缸套的基體組織一般為珠光體，其硬度、耐磨性均低于貝氏體［3］。貝氏體鑄鐵是較為理想的氣缸套材料，尤其下貝氏體具有很高的強度和韌性。早期通過等溫淬火工藝獲得貝氏體，但能耗大、周期長；后來添加Ni、Cr、Mo、Cu等合金元素，利用澆鑄后的高溫余熱直接獲得貝氏體組織，既降低了成本，又提高了鑄鐵氣缸套材料的綜合性能［4］。在灰口鑄鐵中添加P、B、Ni、Cr、Cu等合金元素，并配合適當的冷卻工藝，可提高鑄鐵硬度與耐磨性［5］。但是不同合金元素強化的灰口鑄鐵缸套與噴鉬活塞環配對時的摩擦磨損規律尚不清楚。

選取5種國內外常見的合金灰口鑄鐵氣缸套，并采用平臺珩磨在缸套內壁加工了網紋，通過分析5種合金灰口鑄鐵的金相學特征和模擬強化的摩擦磨損試驗，研究了5種合金灰口鑄鐵與噴鉬活塞環的匹配性能。

1 ??試驗材料及方法

1.1 ??試驗材料

本研究選取5種國內外常用的合金灰口鑄鐵氣缸套，其材料和化學成分如表1所示。氣缸套采用離心鑄造，氣缸套內表面經過平臺珩磨，珩磨紋在氣缸套軸線方向的夾角為125°±10°。

圖1 示出典型的噴鉬活塞環表面SEM形貌和各相成分能譜分析結果。如圖1a所示，在淺色基體上分布著深色顆粒，其中淺灰色基體為Mo，深灰色顆粒為NiCr合金。基體中的Mo元素物理性質穩定，抗黏著性能和磨合性能好，而NiCr相的硬度較高，具有高溫自潤滑性能，在內燃機工作條件下，具有預防黏著和減少磨損的作用。經磨削加工后，噴鉬活塞環表面殘留大量缺陷，如有孔洞、局部脫落。噴鉬層硬度約為535HV0.1。圖1b為活塞環橫截面形貌及成分。由圖可見噴鉬層由深淺兩種顏色構成，最大厚度約為150 μm。從能譜分析可知，淺色區域為Mo，深色區域主要含Ni、Cr，為高溫自潤滑NiCr合金。

1.2 ??氣缸套組織特征測試

氣缸套試樣取樣位置為距離工作表面1 mm以內，采用4%體積濃度的硝酸酒精溶液腐蝕待觀測表面。硬質相含量測量方法為平行于工作表面連續取6個視野，沿硬質相邊緣計算面積百分比［6］。采用能譜儀（EDX）在同一硬質相的多個位置測量成分，每個試樣均測量2塊以上的硬質相。

將試樣的橫截面拋光，金相腐蝕，采用Everone MH-6維氏顯微硬度計測量硬度，采用HBRV1875布洛維硬度計測量布氏硬度，鋼球直徑2.5 mm。取距離工作表面1 mm左右的基體測量顯微硬度，橫截面布氏硬度測量位置為橫截面中間，內表面布氏硬度測量位置為珩磨表面。硬質相的尺寸太小，無法測量顯微硬度（除氣缸套B外）。文中各數據均為3點以上的平均值。

1.3 ??磨損試驗

采用對置往復式摩擦磨損試驗機進行后續的活塞環-氣缸套磨損和抗黏著匹配性能試驗［7］， 其結構及原理如圖2a所示。主要性能參數為往復運動行程30 mm，50 mm分擋可調，轉速10～700 r/min，試驗溫度最高350 ℃，載荷10～1 000 N；接觸自適應，確保良好的面接觸；法向加載系統在試樣運動方向無間隙， 消除試樣擺動對面接觸的影響，滾動支撐，摩擦力實時監測。

氣缸套內徑106 mm；定制正圓噴鉬活塞環， 外徑106 mm，外圓面為直桶；靠安裝和磨合保證均勻接觸，切割后試樣的接觸狀態如圖2b所示。下試樣尺寸為100 mm×10 mm×8 mm，上試樣厚度3 mm，弧線長20 mm。采用兩種載荷進行磨損試驗，試驗條件見表2。根據赫茲公式，可計算出摩擦副的接觸面壓［8］。潤滑介質采用昆侖CD40潤滑油。

采用Hommel T6000輪廓儀測量氣缸套試樣已磨損區和未磨損區的輪廓曲線，測量長度為4.8 mm，分別以未磨損區域和已磨損區域為基準作平行線，兩線之間的距離即為線磨損量，如圖3a所示。由于活塞環已磨損區域和未磨損區域臺階分布在圓周方向，與磨損運動方向垂直，特別是磨損表面為曲面，所以輪廓儀沿著活塞環圓周方向測量，可覆蓋整個磨損區域的輪廓［9］，如圖3b所示。

2 ??試驗結果與分析

2.1 ??氣缸套的組織與硬度

由圖4可見，A和G氣缸套基體為貝氏體組織。G氣缸套有粗大的貝氏體針狀組織，但數量不多，基體分布大量的回火馬氏體組織，以及少量的殘余奧氏體。其余各氣缸套均為珠光體或索氏體，片層間距均較小，為0.3～0.5 μm，達到珠光體基體的設計指標。

結合圖4中硬質相的形態和分布與表3所列硬質相的成分，可知A氣缸套中硬質相主要為合金滲碳體，含較高Mo和Cr，及少量磷共晶，呈彌散分布，含量約為1.79%。B氣缸套中硬質相主要為合金滲碳體，含較高Cr，少量磷共晶，呈中等斷續、部分聚集網狀分布，含量約為12.29%。D氣缸套中硬質相主要為合金滲碳體，Mo，Cr和P含量很高，彌散分布，含量約為1.07%。E氣缸套中硬質相主要為滲碳體，含少量Cr和Mn，局部有少量磷共晶，均勻分散，共晶團中間略帶網孔，部分硬質相呈不明顯聚集，含量約為5.16%。G氣缸套中硬質相為滲碳體和含Mo量較高的合金滲碳體，呈部分枝晶狀，其上略帶小網孔，含量約為4.29%。

硬度表征了材料抵抗塑性變形的能力［10］。維氏顯微硬度的壓痕面積較小，僅基體的化學成分和組織影響測量的顯微硬度；而布氏硬度的壓痕面積較大，對于氣缸套的硬度測量范圍，宜選用直徑為2.5 mm的鋼球壓頭，在此壓痕區域內，基體組織和成分，石墨的大小、數量、分布，以及硬質相的大小、組成、數量、分布等，均影響布氏硬度，且壓痕面積具有統計意義。各氣缸套不同部位的顯微硬度如圖5所示。氣缸套A和氣缸套G兩種貝氏體氣缸套的顯微硬度相近，明顯大于各珠光體氣缸套。各氣缸套橫截面布氏硬度和內表面布氏硬度的大小和分布規律基本相同。氣缸套A和氣缸套G兩種貝氏體氣缸套基體的顯微硬度高，表面和橫截面的布氏硬度也高。珠光體氣缸套E和氣缸套D的顯微硬度和布氏硬度相當，氣缸套E略低，主要是因為合金元素比氣缸套D少（見表1），對珠光體的強化作用低。氣缸套B的合金元素含量最少，顯微硬度相對最低，但硬質相含量明顯高于氣缸套D和E，宏觀承載能力強，所以布氏硬度高于氣缸套D和氣缸套E。

2.2 ??氣缸套與活塞環的磨損匹配性

圖6示出在兩種磨損試驗條件下氣缸套和活塞環的相對耐磨性結果。兩種磨損試驗條件下5種氣缸套的磨損結果見圖 6a，B，D和E三種珠光體缸套中，E氣缸套在兩種載荷下的磨損量最穩定，差別相對較小，表現出對載荷較好的適應性；高載時B和D氣缸套的磨損量很大，超出承載極限；低載時，B的磨損量最低，這可能與B氣缸套的布氏硬度較高、表面硬質相含量較高有關，由硬質相構成的第一滑磨面起到較好的承載和耐磨作用。盡管D氣缸套的維氏硬度和布氏硬度均大于E，但其硬質相含量僅僅為1%，承載保護作用較小，磨損量比E氣缸套大。對于A和G兩種貝氏體缸套，A在兩種載荷下均表現出優異的耐磨性，承載極限很高，不但比三種珠光體氣缸套的磨損量小很多，而且明顯好于鑄態貝氏體氣缸套G。低載時，珠光體基體的B氣缸套與自冷貝氏體G氣缸套的磨損量非常相近，沒有體現出高合金貝氏體氣缸套的優越性，但G氣缸套的表面狀態明顯比B氣缸套好，磨損后的珩磨紋仍然清晰，表面狀態完好。

兩種磨損試驗條件下活塞環的磨損結果見圖 6b。與三種珠光體氣缸套配對時，高載下與E氣缸套配對的活塞環磨損量大，低載時差別不大，與B配對的稍小，D，E相近。與兩種貝氏體缸套配對時，與A配對的活塞環磨損量明顯小，低載下的磨損量最小，比與珠光體氣缸套配對時還要小。低載時，與鑄態貝氏體氣缸套G配對的活塞環磨損量也較大，和與B，D，E氣缸套配對的磨損量相近。

由圖 6c和圖 6d可見，在高載荷下（試驗條件1），與G氣缸套配對時，活塞環和氣缸套的磨損量都很高；與B，D或者E配對時，活塞環或者氣缸套中均為一個磨損量高，一個磨損量較低；與A氣缸套配對時，摩擦副雙方的磨損量均較低。在低載荷下（試驗條件2），只有與A氣缸套配對時，摩擦副雙方的磨損量都較小，而且幾乎相同，其他摩擦副的磨損量均較高，活塞環的磨損量比氣缸套稍高。可見A氣缸套自身磨損小，對活塞環的磨損也小，因此組織狀態發育良好的貝氏體基體氣缸套具有良好的綜合耐磨性能。

2.3 ??磨損表面形貌

2.3.1 ?氣缸套表面微觀形貌特性

磨損后各試樣表面的磨損形貌見圖7和圖8。對于貝氏體基體A，G氣缸套，在磨損試驗條件1時A氣缸套的耐磨性較好，表面光滑，石墨出口清晰，基體僅在局部發生塑性變形，硬質相沒有明顯的破碎，表現出較好的耐磨性。而G氣缸套表面有大量孔洞和明顯塑性變形的痕跡，基體有明顯再取向的趨勢，較大的硬質相維持完好，較小的硬質相發生碎裂，但在貝氏體基體中鑲嵌較好。在磨損試驗條件2時A，G氣缸套的表面均較光滑，基體組織比較完整，沒有明顯的塑性變形，石墨出口邊緣整齊，硬質相均完整牢固地鑲嵌于基體中。

對于珠光體B，D和E氣缸套，在磨損試驗條件1時表面發生不同程度的塑性變形，B，D氣缸套較重，E氣缸套較輕。B，D氣缸套的石墨出口已經不可辨認，硬質相嚴重碎裂，并沿基體滑動，珠光體基體對硬質相的鑲嵌發生松動。在磨損試驗條件2時，氣缸套表面發生較輕的塑性變形，石墨出口仍然可以辨認，B氣缸套的硬質相碎裂，而D和E則較完整。

2.3.2 ?活塞環表面微觀形貌特性

圖9示出在磨損試驗條件1和條件2時活塞環的表面形貌特征。與氣缸套A配對的活塞環在試驗條件1下，表面出現較多磨痕，原有的疏松孔洞結構完整；試驗條件2下，活塞環表面光滑，組織完整，噴涂孔洞尚存。與氣缸套B配對的活塞環在試驗條件1下，沿滑動方向表面出現犁削磨痕，局部組織松散；試驗條件2下，表面光滑，組織完整，噴涂孔洞清晰，無明顯變形。與氣缸套D配對的活塞環在試驗條件1下，表面光滑，僅出現輕微磨痕；試驗條件2下， 表面總體光滑，局部有顆粒脫落，塑性變形不明顯，噴涂孔洞尚存。與氣缸套E配對時，兩種試驗條件下，活塞環表面均出現較多磨痕，局部有黏著傾向，但沒有擴展，與試驗過程中發現磨合階段有較強的摩擦振動相吻合。與氣缸套G配對的活塞環在試驗條件1下，表面總體光滑，有少量噴涂顆粒層狀脫落；試驗條件2下，活塞環表面幾乎未出現磨損痕跡。不論活塞環的磨損量大小，在試驗結束時，其表面均光滑完整，處于相對穩定的磨損狀態。結合試驗過程中的現象，說明磨損過程中，當某些條件發展到一定程度時，會發生快速磨損，甚至磨損機制改變，而當條件變化時，磨損又可以恢復到穩定的狀態。

3 ??結論

a） 氣缸套材料是由硬質相、基體和石墨構成的復合耐磨結構，各組分的性能、分布及其合理配合，是決定耐磨性的關鍵因素；

b） 硬質相對氣缸套的耐磨性有重要影響，通過適當含量的硬質相來提高氣缸套的耐磨性，是一種典型的雙滑磨面耐磨結構設計思想；加入多種合金元素能夠獲得復合磷共晶，具有較高的硬度值（維氏硬度一般在1 000～1 450），且呈塊狀均勻分布，含量從1％到14％；當硬質相中鉻、鉬等合金元素含量較高時，硬質相硬度高、脆性相對減小，耐磨性明顯提高，如氣缸套A和D的硬質相中鉻、鉬合金元素含量較高，表現出很好的耐磨性；

c） 對于硬質相強化的耐磨結構，基體的主要作用是支撐第一滑磨面，在一定的載荷、溫度、速度范圍內，基體的支撐能力崩潰或者硬質相碎裂之前，基體顯微硬度對氣缸套耐磨性的影響差別不大；

d） 基體 的組織結構對氣缸套磨損具有較大影響，組織狀態發育良好的基體具有較好的耐磨性能；含大量回火馬氏體基體氣缸套G的布氏硬度大于貝氏體基體氣缸套A，但貝氏體基體A氣缸套的耐磨性能好于G氣缸套；珠光體基體氣缸套中，E氣缸套的布氏硬度比D氣缸套低，但耐磨性卻比D氣缸套好；

e） 氣缸套不同的基體組織對氣缸套-活塞環的配對性有明顯的影響：噴鉬活塞環與珠光體基體氣缸套B，D，E配對時，磨損相對穩定，氣缸套、活塞環的相對磨損量正常；與鑄態貝氏體氣缸套配對時，氣缸套的磨損較輕，環的磨損比珠光體氣缸套大；與貝氏體氣缸套配對時，氣缸套活塞環的磨損均很小。

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Microstructure and Tribological Properties for Cylinder ?Liners of Alloyed Gray Cast Iron

HU Fengze1，GUO Junbao2，YU Jing3，4

（1.Naval Department of Equipment，Taiyuan 030000，China;

2.Shanxi Diesel Engine Industry Co.，Ltd.，Datong 037036，China;

3.Key Lab of Ship-Maintenance&Manufacture，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;

4.Dalian Key Laboratory of Internal Combustion Engine Tribology and Reliability Engineering，Dalian 116026，China）

Abstract： ?Aiming at the gray cast iron cylinder liner of five components and tissues， including two bainite cylinder liners and three pearlite cylinder liners， the composition， phase composition and hardness were comprehensively analyzed. The molybdenum-sprayed piston rings were ground with five alloyed gray cast iron cylinder liners. By comparing the friction and wear performance of each pair， the matching law between the molybdenum-sprayed piston ring and five alloyed gray cast iron cylinder liners were obtained. The research results show that the five kinds of cylinder liner materials are composite wear-resistant structures composed of hard phase， substrate and graphite. The performance， distribution and proportion of each component are the key factors in determining wear resistance. The wear of pearlite cylinder liner is relatively stable， and the relative wear of the cylinder liner and the piston ring is normal. The wear of cast bainite cylinder liner is lighter， and the wear of paired piston ring is larger than that of pearl cylinder liner. The wears of bainite cylinder liner and piston ring are very less.

Key words： ?alloyed gray cast iron;gray cast iron;cylinder liner;piston ring;wear resistance;friction;matching

［編輯： 袁曉燕］

收稿日期： ??2023-11-01； [HT6H]修回日期： ??2023-12-28

作者簡介： ??胡豐澤（1971—），男，高級工程師，主要從事內燃機方面的研究。

通訊作者： ??于靜（1984—），女，副教授，碩士生導師，主要研究方向為表面工程技術；yj.0730.kb@163.com。