2024年5月15日发(作者：amd740相当于英特尔)

王闻生　潘立新　李国良：ＴｉＣ铸铁材料在船舶柴油机气缸套中的应用　

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２３　

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工艺技术　

４ｒ　—　ｆ—　—　—　ｒ　

ＴｉＧ铸铁材料在船舶柴油机气缸套中的应用　

Ｃａｓｔ　Ｉｒｏｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ＴｉＣ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｓｈｉｐ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ　Ｉｉｎｅｒ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

王闻生　潘立新　李国良　

（江苏省发动机摩擦副工程技术研究中心　洪泽县华晨机械有限公司）　

［摘要］本文采用原位合成的方法，在熔体中加入钛铁与铸铁中的碳合成ＴｉＣ强化铸铁材料，　

制备出了ＴｉＣ质量比分别为０．５％、１．０％、１．５％和２．０％的ＴｉＣ强化铸铁材料，并考察了强化铸铁的　

组织、力学性能和耐磨损性能。结果表明，金相均显示出基体中合成了呈小块状多边形的ＴｉＣ颗　

粒。原位合成ＴｉＣ颗粒增强后的铸铁材料，其力学性能较基体都有不同程度的提高。并且随着ＴｉＣ　

加入量的增强。其硬度、抗拉强度和磨损性能都显著提高。在此基础上，对ＴｉＣ颗粒强化铸铁材料　

的力学性能及摩擦磨损性能的影响机理进行适当分析和讨论。　

［关键词］原位合成ＴｉＣ颗粒铸铁气缸套磨损性能　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｉｎ—ｓｉｔｕ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ　ＴｉＣ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　Ｃａｓｔ　ｉｒｏｎ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｌｉｎｅｒ　Ａｂｒａｓｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　

１　铸铁的基本介绍　

铸铁是与碳钢相似的以Ｆｅ和Ｃ为主的合金。是　

一

是一种经过石墨化处理的白口铸铁。　

白口铸铁：白口铸铁中的碳全部以渗透碳体　

（Ｆｅ。Ｃ）形式存在，因断口呈亮白色。故称白口铸铁，　

种以Ｆｅ、Ｃ、Ｓｉ为主要成分的且在结晶过程中具有　

共晶转变的多元铁基合金。其生产成本低廉。铸造　

性能优良（常铸造成铸件使用，故谓铸铁），可切削　

加工性、耐磨性和吸震性好，从而被广泛应用。　

铸铁中Ｃ的分布形式：　

（１）溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体；　

由于有大量硬而脆的Ｆｅ，Ｃ，白口铸铁硬度高、脆性大、　

很难加工。因此，在工业应用方面很少直接使用，只　

用于少数要求耐磨而不受冲击的制件，如拔丝模、球　

磨机铁球等。大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料。　

灰铸铁：铸铁中的碳大部或全部以自由状态片　

状石墨存在。断口呈灰色。它具有良好铸造性能、切　

削加工性好，减磨性，耐磨性好，加上它熔化配料简　

（２）与Ｆｅ作用形成Ｆｅ　Ｃ（化合物）；　

（３）以游离的石墨形式析出。　

根据Ｃ在铸铁中存在的形式及石墨的形态。可　

将铸铁分为五类：　

球墨铸铁：在铁水（球墨生铁）浇注前加一定量　

单，成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。　

由于灰口铸铁内存在片状石墨，而石墨是一种密度　

小，强度低、硬度低、塑性和韧性趋于零的组分。它　

的存在如同在钢的基体上存在大量小缺口．即减少　

承载面积，又增加裂纹源，所以灰口铸铁强度低、韧　

性差，不能进行压力加工。　

的球化剂（常用的有硅铁、镁等）使铸铁中石墨球　

化。由于碳（石墨）以球状存在于铸铁基体中。改善其　

对基体的割裂作用，球墨铸铁的抗拉强度、屈服强　

度、塑性、冲击韧性大大提高。并具有耐磨、减震、工　

艺性能好、成本低等优点，现已广泛替代可锻铸铁及　

部分铸钢、锻钢件、如曲轴、连杆、轧辊、汽车后桥等。　

蠕墨铸铁：Ｃ全部或大部以游离的蠕虫状石墨　

形式存在，铸造前往铁水中加入少量变质剂（ｎ，Ａｌ，　

Ｍｇ，Ｒｅ等），随后凝固而成。　

灰铸铁的显微组织：片状石墨＋基体ｆ铁素体铁　

素体＋珠光体珠光体）　

灰铸铁的机械性能：　

①抗拉强度　

灰口铸铁的抗拉强度比同样基体的钢要低得多。　

②延伸率　

８＜ｌ％，ｆ０．２—０．７％）易脆性断裂。　

可锻铸铁：可锻铸铁是用碳、硅含量较低的铁　

碳合金铸成白口铸铁坯件，再经过长时间高温退火　

处理，使渗碳体分解出团絮状石墨而成，即可锻铁　

③硬度和抗压强度　

灰铸铁的硬度和抗压强度主要取决于组织中　

内燃机与配件　２０１２年第７期　

基体本身的强度和数量　

灰铸铁的工艺性能：①铸造性优良，成分接近　

共晶点，铁水流动性好。②加工性能（切削）优良，石　

墨可起到断屑和润滑刀具的作用。③焊接性能差，　

铸铁中Ｃ，Ｍｎ含量高，淬透性好，在焊缝凝固时极易　

出现硬而脆的Ｍ和Ｆｅ　ｃ，造成焊缝断裂。④可热处　

理性差，采用热处理的方式不能改变石墨片的大小　

和分布。　

２提高铸铁性能的途径　

２．１表面处理法　

表面处理法是对铸铁采用各种表面工程技术，　

如热喷涂、等离子淬火等对灰铸铁的等温淬火热处　

理工艺，获得以贝氏体为基体的高性能灰铸铁。　

２．２弥散强化法增强材料性能　

当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体　

相中将产生显著的强化作用。如果第二相微粒是通　

过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产生　

强化则称为沉淀强化或时效强化；如果第二相微粒　

是通过粉末冶金方法加入而起的强化作用。则称为　

弥散强化。弥散强化材料是由弥散颗粒微粒和基体　

复合而成的。弥散强化工艺技术已有５０多年的发展　

历程，目前已经在钢和一些有色金属ｆ如铝合金）中　

开始商业化应用。目前比较成熟的弥散强化制备工　

艺有很多种，下面介绍几种较常用的方法。本试验　

基于课题组以前的研究基础．开发适用于铸铁的弥　

散强化技术。　

２．３弥散强化的工艺技术　

２．３．１粉末冶金法　

使用粉末冶金工艺，是将金属和陶瓷粉末混合　

均匀。然后对混合料进行真空脱气，再经过压型，烧　

结，冷、热等静压等工序制成。周玉等采用粉末冶金　

法真空热压烧结制备了ＴｉＣｐ／Ｗ复合材料。直接采用　

粉末烧结法会在混料过程中混入杂质而造成界面　

污染。且混料难以均匀。从而使得制备的材料性能不　

够理想。此外，ＴｉＣ熔点高削备困难，价格昂贵。粉末　

冶金法的一个最新发展趋势是将粉末冶金法跟原　

位合成法相结合，制备复合材料，Ｊ．Ｑ．Ｊｉａｎｇ等用该法　

制备了ＴｉＣ颗粒增强Ｔｉ　ｌ　复合材料。该法结合　

了原位合成和粉末冶金加工工艺的优势，有较大的　

应用前景，其研究刚刚起步，很多方面尚待探讨。　

２．３．２反应铸造法　

反应铸造法具有工艺简单、灵活、成本低廉和　

容易制造复杂构件的特点。最近在原位合成铸造法　

制备ＴｉＣ颗粒增强材料方面取得了一些新进展。其　

中一种方法是将石墨碳粉和钛合金在感应炉中一　

起熔化而获得ＴｉＣ颗粒增强复合材料，由于ＴｉＣ颗粒　

原位合成，避免了颗粒与基体的界面润湿性出现问　

题，这种方法将普通铸锭冶金方法和凝固技术结合　

了起来，可以实现对凝固组织和ＴｉＣ形貌的控制。Ｚｅｅ　

等用该法获得了ＴｉＣ颗粒大小不同的混合增强复合　

材料。另一种方法是在铸铁熔液或钢液中加入钛铁　

合金使之和碳反应生成ＴｉＣ再浇注成型，严有为等　

采用来源广泛的铸造生铁和钛铁合金为基本原材　

料，用该法制备ＹＴｉＣｐ／Ｆｅ净形复合材料。　

２．３．３原位合成技术　

原位生成复合法也称反应合成技术．最早出现　

于１９６７年前用ＳＨＳ法合成ＴｉＢ　／Ｃｕ功能梯度材料的　

研究中。金属基复合材料的反应合成法是指借助化　

学反应，在一定条件下在基体金属内原位生成一种　

或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。这种　

增强相一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度　

的陶瓷颗粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚　

至硅化物，它们往往与传统的金属材料，如Ａｌ、Ｍｇ、　

Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ等金属及其合金，或（ＮｉＴｉ）、（Ａ１Ｔｉ）等金　

属间化合物复合，从而得到具有优良性能的结构材　

料或功能材料　

原位合成是指材料中的第二相或复合材料中　

的增强相生成于材料形成的过程中，其特点是由于　

第二相增强颗粒原位合成。故界面没有污染且第二　

相分布均匀。随着原位复合技术的发展，其应用已拓　

宽到金属基和陶瓷基材料的制备中。２０世纪末，国　

外对应用面广、成本低廉的原位ＴｉＣ颗粒增强Ｆｅ基　

复合材料已有研究。　

在ＴｉＣ／Ｆｅ金属陶瓷复合材料的组织中，原位合　

成的ＴｉＣ增强颗粒具有热力学稳定、尺寸细小、分布　

均匀且与基体界面洁净和结合良好等特点；同时，基　

体组织的性能可通过热处理得以进一步改善。原位　

合成法是通过反应，在基体内部生成弥散强化相来　

制备强化材料的方法。该工艺具有界面无污染、结　

合良好、工艺简单、适合连续工业生产和成本低等　

特点。原位合成法制备的强化材料的增强体不是外　

加的．而是通过加入几种不同组元在基体中反应生　

成的．一般与基体有很好的相容性，可以起到更好　

的增强效果。　

目前报道的原位合成技术主要有：原位热压技　

术、ＸＤＴＭ技术、ＣＶＤ（气相沉积）技术、熔体浸渍技　

术、反应结合技术及ＳＨＳ技术等。原位合成制取含　

ＴｉＣ复合材料，ＴｉＣ是在烧结过程中原位生成的，其　

特点如下：简化了制备工艺，避免了在混料过程中ＴｉＣ　

相与其它相之间的界面污染；ＴｉＣ在高温生成，界面　

王闻生　潘立新　李国良：ＴｉＣ铸铁材料在船舶柴油机气缸套中的应用　２５　

自由能高，物相间结合牢固；多相的生成有利于抑制　

晶粒的异常长大等，这些都有利于材料性能的提高。　

２．３．４放热弥散法　

放热弥散复合技术的基本原理是将增强相反　

应物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压　

或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率加热，在　

一

定的温度下（通常是高于基体的熔点而低于增强　

相的熔点）保温，使增强相各组分之间进行放热化　

学反应。生成增强相。增强相尺寸细小，呈弥散分布。　

３原位合成法的优点　

使用原位合成法有如下优点：　

ｆ１１增强颗粒是在金属基体中原位形核、长大的　

热力学稳定相，因此，材料中基体与增强体材料间　

的相容性好，界面稳定、结合牢固。　

ｆ２１省去了增强颗粒单独制备过程，工艺可控性　

强，且降低工艺成本，提高产品性价比。　

ｆ３１从液态金属基体中原位合成增强颗粒的工　

艺，可直接铸造形状较复杂，尺寸一较大的构件，或　

通过挤压方式成型：　

（４）合成的增强体颗粒细小，且分布均匀，对金　

属基的强化效果较好。ＴｉＣ与基体的物理化学相容性。　

４气缸套材料的现状和发展方向　

灰铸铁以其优良的铸造性、加工性、耐磨性、吸　

振性和低廉的成本被广泛应用于内燃机零部件中．　

汽缸套是内燃机中重要易损件之一。采用普通灰铸　

铁作为基础材料，由于性能不高，使用寿命较短，在　

使用过程中易出现裂纹，目前各生产厂都在致力于　

研究高性能灰铸铁气缸套。　

气缸套是柴油发动机的主要部件之一，它与活　

塞环形成一对摩擦副，在较高温度、压力下作高速　

相对运动，且常常存在润滑条件不良、有固体微粒　

和腐蚀介质的情况。随着现代内燃机技术的不断发　

展，普通灰铸铁缸套已不能满足其要求。国内目前　

主要采用的是硼铸铁或高磷铸铁，对于设备条件要　

求不高，机械性能可以满足国家标准规定值，但与　

国外先进技术相比，还存在较大差距，也无法适应　

要求汽车排放标准。　

从节能和环保等角度考虑，我国的气缸套材料　

性能急需解决，研究生产高性能气缸套材料和工　

艺，成为急待解决的重要课题　

５增强颗粒的选取　

增强颗粒一般是具有高强度、耐磨性好的陶瓷　

非金属颗粒。常用的增强颗粒有碳化物、氧化物、氮　

化物、硼化物等。选取时应考虑颗粒与基体的相容　

性、形状和尺寸、物理性能和力学性能、制备成本　

等　同时，要根据具体用途优先考虑其中影响重要　

使用性能的因素。　

表１—１列出了几种常用的增强颗粒的基本性能。　

ＴｉＣ具有高硬度和高的化学稳定性，特别是ＴｉＣ　

能被铁化学润湿且和钢液的润湿角０４，于５０。，因此　

ＴｉＣ非常适合作为强化铸铁的增强体。近期的研究发　

现在铸铁引入ＴｉＣ增强体后，可以使某些性能（特别　

是耐磨性能）的大幅度改善，本课题强化的铸铁材　

料为汽缸套材料．磨损性能是最受关注的，因此选　

用ＴｉＣ作为增强体。　

表１—１几种常用的增强颗粒性能特征　

颗粒名称　密度　熔点　热膨胀系数　导热系数　硬度　弯曲强度　弹性模量　

（ｇ／ｃｍ　）　（℃）　（１０４／℃）　（Ｋａｌ／ｅｍ℃）　（Ｋｇ／ｍＩ　）　（ＭＰａ　（ＧＰａ）　

碳化硅　

（ｓｉｃ）　３　２１　２７０ｏ　４０　０１８　２７ｏ０　４００—５ｏ０　

碳化硼　

（Ｂ　）　

２　５２　２４５０　５

．

７３　３ｏｏ０　３ｏ０—５ｏ０　３６ｏ一４６０　

碳化钛　４　９２　３３０ｏ　７　４　２６００　５ｏ０　

（ＴｉＣ）　

氧化铝　２０５０　９　

（Ａ１２０３）　

氮化硅　

（Ｓｉ３Ｎ　）　

３

２—３　４　２１００　２　５

３．２　０．０３－０．０７　

—

．

分解　８９—９３　

ＨＲＡ　

９００　３３０　

（Ａ１

奠来石　

　０丑ＳｉＯ　）　３．１７　１８５０　４　２　３２５０　ｌ２ｏｏ　

硼化钛　４Ｏ５　２９８０　

（ＴｉＢ２）　

６　ＴｉＣ强化铸铁材料的研究　

ＴｉＣ硬度高、抗氧化、耐腐蚀、比重小、热稳定性　

好等优异的物理化学性能，并且在烧结过程中晶粒　

长大倾向小，一般晶粒呈圆形，从而使合金具有优良　

的使用性能，是一种比较理想的硬质相材料，特别是　

ｒｒｉＣ能被铁化学润湿且和铁液的润湿角０ＩＩ，于５０。．因　

此ＴｉＣ非常适合作为耐磨钢的硬质点。近期的研究发　

现在铸铁中引入ＴｉＣ增强体后。可以导致某些性能　

（特别是耐磨性能）的大幅度改善，因此应用面广、　

成本低廉的原位（ｉｎ　ｓｉｔｕ）ＴｉＣ弥散强化铸铁得到了　

学界的关注。在ＴｉＣ弥散强化铸铁中，如果ＴｉＣ增强颗　

粒是通过原位化学反应合成，则具有与基体结合强　

度高，数量和大小可以控制且分布弥散等特点。此　

外原位铸造反应生成ＴｉＣ颗粒增强相的弥散强化铸　

铁具有制备工艺相对简单、制造成本低、易实现工　

业化生产，因而极具发展潜力，成为ＴｉＣ弥散强化铸　

铁的研究热点。　

原位合成的ＴｉＣ颗粒增强铸铁材料目前发展的　

还不是很成熟，因此，找到具有相对简单、制造成本　

低、易于实现工业化生产的制备工艺，极具发展潜力。　

作者简介：王闻生，男，１９６９年８月出生，江苏洪泽县人，１９９３　

年７月毕业于浙江大学工商管理专业，高级工程师，现任江苏　

省发动机摩擦副工程技术研究中心主任。