（机械工程专业论文）发动机硼铸铁缸套等离子束硬化机理及其工艺的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 硼铸铁材料具有成本低、铸造性能优良、易于加工、耐磨性好等一系列特点。但是， 发动机硼铸铁气缸套在运行过程中，容易产生因硼铸铁硬度低而导致耐磨性不足产生的 磨损失效现象，使缸套使用寿命降低。针对这缺点，采用高能等离子束在常压下快速 扫描缸套内表面，对缸套内壁进行局部硬化处理，实现“自淬火”，获得高硬度淬火硬 化层，得到高硬度的隐针马氏体，从而提高其耐磨性和使用寿命，并得到了工作电流、 扫描速度及淬硬面积比对硬化层深度、硬度、组织的影响规律，为生产实践提供了有利 的理论依据。结果表明：其它工艺参数不变，工作电流增加，硬化层深度、宽度、硬度 增加，硬化道表层残余奥氏体含量减小，最高显微硬度值点距硬化道表面的距离也增加： 扫描速度增加，硬化层深度、硬度降低，硬化道表层残余奥氏体含量增加；淬硬面积比 增大，硬化层深度和硬度均降低。以淬硬深度、硬度为优化目标进行正交试验，得出淬 硬深度、硬度及硬化道成形匹配最优时的工艺参数值：工作电流i = 7 0 a ，扫描速度 v = 1 5 8 。3 1 2 m m s ，淬硬面积比为3 5 ，扫描电压为5 8 v 。建立线性回归方程，采用c “ 编程，对实验数据进行处理，建立工艺参数与深度、硬度的关系方程。硼铸铁材料采用 等离子束淬火时，淬硬层与基层之间基本没有过渡区，固态相变层为隐针马氏体、残余 奥氏体和石墨，从硬化层表层及里层显微硬度的变化趋势是先升高后降低，最高硬度在 次表层，且交叉道硬化区的显微硬度高于单道，淬硬层略有突起，并受到来自未淬火基 体的挤压力，这对于提高硬化带的疲劳强度是有利的。采用合适的工艺参数对气缸套内 壁进行硬化可显著提高其硬度及耐磨性。 关键词：硼铸铁等离子束硬度耐磨性 一。 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b o r o nc a s ti r o ni su s e dw o r l d l y , b e c a u s ei th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o w c o s t ，g o o d c a s t i n g ，e a s yw o r k i n g ，e x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c e ，e t c b u ti nm o v i n gp r o c e s so ft h ee 1 1 g i n e c y l i n d e r , i ti se a s yt op r o d u c ew e a rl o s i n ga n dr e d u c ei t s l i f eb e c a u s eo fl o wh a r d n e s sa n d w e a l r e s i s t a n c e i no r d e rt os o l u t et h i sp r o b l e ma n di m p r o v ew e a l - r e s i s t a n c ea n ds e r v i c el i f e t h ei n s i d ew a l ls u r f a c eo f c y l i n d e rw a ss c a n n e dw i t hh i g he n e r g yp l a s m ab e a mq u i c k l ya t o r d i n a r yp r e s s u r e t oh a r d e n p a r t i a ls u r f a c e ，s e l f - q u e n c h i n gt o o kp l a c e ，h i g hh a r d n e s s p e d d l i n g n e e d l em a r t e n s i t ea n dh a r d e n i n g l a y e rw e t eo b t a i n e da n d i n f l u e n c el a wo fc u r r e n t ， s c a n n i n gr a t ea n dp e r c e n to fh a r d e n i n ga r e ao nt h ed e p t h ，h a r d n e s sa n dm i c r o s t r u c t u r eo f h a r d e n i n gl a y e rw e r es t u d i e d ，t h e s ew i l lg a v ee v i d e n c ef o rp r a c t i c e t h er e s u l ts h o w s ：w h i l e t h eo t h e rc o n d i t i o nk e 印s t a b l ea n dc u r r e n ti n c r e a s e ，t h ed e p t ho fh a r d e n i n gl a y e r , w i d t h ， h a r d n e s sa n dd i s t a n c eo ft h e h i g h e s th a r d n e s sp o i n t t o h a r d e n i n gs u r f a c ei n c r e a s e ，b u t a u s t e n i t ec o n t e n tr e d u c e ；t h ed e p t ho f h a r d e n i n gl a y e ra n d h a r d n e s sr e d u c ea ss c a n n i n gr a t e a n dt h ep e r c e n to fh a r d e n i n ga r e a i n c r e a s e ；a u s t e n i t ec o n t e n ti n c r e a s ea ss c a n n i n gr a t e i n c r e a s e i no r d e rt or e a c ht h ea i mo ft h eh a r d e n i n g d e p t ha n dh a r d n e s s ，o r t h o g o n a lt e s tw e a r u s e d t h eb e s th a r d e n i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro f g o o dm a t c h i n go ft h eh a r d e n i n gd e p t h ， h a r d n e s sa n df o r mi sa s f o l l o w ：i = 7 0 a , v = 1 5 8 3 1 2 m m s ，3 5 p e r c e n th a r d e n i n g a r e a ，u = 5 0 v t h e nl i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d v i s u a l 口+ p r o g r a m m i n gw a s u s e dd e a lw i t hd a t a ，a n de q u a t i o n sa b o u tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rw i t ht h eh a r d e n i n gd e p t h a n dh a r d n e s sw e r es e tu p t h e r ei sh a r d l yt r a n s i t i v ea r e ab e t w e e n q u e n c h i n gl a y e r a n d c a s t i n g m a t r i xb yu s i n gp l a s m ab e a ma sh e a t i n gs o u r c e t h et i s s u eo fs o l i ds t a t ez o d ei sp e d d l i n g n e e d l em a r t e n s i t e ，r e m a i n i n ga u s t e n i t ea n dg r a p h i t e f r o ms u r f a c el a y e rt o i n s i d e ，m i c r o h a r d n e s sf i r s t l yg o e su pt h e ng o e sd o w n ，a n dt h e h i g h e s th a r d n e s sp o i n ti si ns e c o n d s u r f a c e l a y e r , t h ec r o s sh a r d n e s sa r e ai sh i g h e rt h a nt h es i n g l e t h eq u e n c h e d s t r a pe x p a n d ss l i 曲t l y a n di sp r e s s e db yt h eu n q u e n c h e dn e j 曲b o rb a s eb o d y ，t h i si sb e n e f i c i a lt oe n h a n c e f a t i g u e s t r e n g t ho fq u e n c h e ds t r a p h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c ea r ei m p r o v e d a p p a r e n t l yb yu s i n g s u i t a b l et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r k e y w o r d s ：b o r o nc a s ti r o n p l a s m ab e a m h a r d n e s sw e a rr e s i s t a n c e 一一 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：栖勃 日期：抛学年，月厅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了懈学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“巾) 学位论文作者签名：枷劫 日期：加p 年，月量日 指导教师签名；场多名牲一 日期： 口中年? 月r 扩目 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及目的 1 绪言 本课题来源于许昌内燃机配件厂和中州内燃机配件厂的生产实际需要，为河南省科 技攻关项目。目的是研究硼铸铁缸套表面等离子束硬化机理，为铸铁表面的高能束硬化 处理提供可行性依据。并研究工作电流、扫描速度、淬硬面积比三大主要工艺参数对硬 化层深度、硬度、组织的影响规律，在此基础上采用正交试验，以硬化层深度、硬度为 优化目标，对硬化工艺参数进行优化，得出最佳硬化工艺参数组合，建立线性回归方程， 并应用计算机对试验数据进行编程处理，建立各工艺参数与硬化效果的内在关系，确定 硼铸铁缸套表层等离子束硬化的最佳工艺。保证在淬硬过程中不出现裂纹、气孔及较大 变形等缺陷，且保证在硬化带的连续和成形的前提下，达到设计中所需要的硬度和硬化 深度，获得设计要求的淬硬效果，加速铸铁缸套表面等离子束硬化技术的推广。 1 2 本课题研究的意义及现状 世界经济正处于全球经济体化和世界信息网络化的大环境中。随着中国加入世界 贸易组织，中国积极参与经济全球化，国内市场与世界市场将逐渐成为一体，并从过去 的社会主义计划经济转变为现在的社会主义市场经济。入世后，中国的本地汽车市场逐 渐转变为一个全球性市场，部分中国汽车零部件企业将成为跨国公司的全球供应链中的 一环。然而，汽车行业和零部件行业受到的冲击较大，如降低关税、取消配额等。这就 要求我国的汽车配件企业包括气缸套生产行业经得起大量的进口产品对国内市场的冲 击，能够适应全球经济的一体化。 缸套是发动机的主要易损件之一，运行期间一直处于高温、高压下的工作状态，要 受到交变的热负荷和机械负荷的作用，在承担燃烧室的密封、活塞导向和传递热量的过 程中，还要承受各种磨损，其质量的优劣直接关系到发动机的工作效率及大修期的长短。 华中科技大学硕士学位论文 缸套和活塞环属于副配的润滑摩擦构件，发动机吸入的空气和润滑油中的少量磨粒和磨 屑还会造成磨粒磨损，其主要失效形式是气缸套内壁及活塞环外圆过量磨损引起活塞环 的开口间隙值增大，弹力下降，气缸漏油、漏气，功率不足。实践应用表明：缸套的使 用性能和使用寿命是决定发动机工作性能和使用寿命的关键性因素之，而磨损失效是 缸套的主要失效方式，因此提高缸套的摩擦磨损性能是提高其使用性能和使用寿命的关 键性指标。为此，世界许多国家都对提高气缸套的耐磨性和使用寿命进行了深入的研究， 研制成功多种缸套表面硬化技术，如松孔镀铬、渗氮、激光淬火等工艺忆 以汽车发动机为例，缸套内壁不经淬火处理( 一般硼铸铁缸套硬度为3 0 0 h v 左右) ， 耐磨性偏低，极易磨损，当磨损至一定程度时，会使发动机动力下降，燃润料消耗增加， 并伴随排放超标污染尾气，致使大修期缩短。近十几年来，随着国内汽车等工业的蓬勃 发展，我国每年投放市场的各类发动机高达数百万套，服役保有量应在其5 倍以上，每 年用于配套或大修的缸套产品高达千万套，发动机的大修问题日益突出。随着改革开放 的深入和w t o 的加入，提高发动机寿命，延长缸套大修期限，降低油耗和污染等问题， 已成为汽车工业能否成为我国民族工业的支柱产业的重要的控制环节之一。机械行业， 尤其是内燃机配件行业要摆脱困境，谋求发展的措旌之一是加速开发和利用新技术并进 行产业的调整。 为解决上述问题，国外发达国家汽车制造业早在七十年代末就已采用激光技术对气 缸内壁进行自淬硬化处理，通过提高硬度以提高其耐磨性，使发动机的大修周期可延长 2 - 3 倍。我国少数的几家汽车制造厂和缸套厂采用了进口或国产的激光硬化加工系统用 于缸套的生产或大修，以此来提高发动机的使用寿命和工作性能，而且对于灰铸铁激光 表面淬火处理的组织、相变硬化的机理及耐磨性也做了大量的研究工作【2 胡。通过对几 家企业的应用调查发现，激光加工系统的推广应用存在着许多障碍因素：首先是激光加 工系统设备投资大( 国产需3 0 万元，进口需5 0 6 0 万元) ；其次是运行成本高，水电气 ( 氦气，纯c 0 2 等) 消耗大，系统的易损件如导光玻璃等较昂贵，系统的操作使用和 维护要求工作人员具有很高的专业技能；其三，激光处理前，尚需对工件除油和磷化处 理，易造成环境污染；其四，激光处理在空气介质中进行，造成了脱碳和合金元素的烧 损，而且大型生产制造企业，往往需要几套激光加工系统才能满足批量生产的要求。 一 一 2 华中科技大学硕士学位论文 综上所述，我们可以得出以下结论：一是气缸套内壁的淬硬处理是行业的迫切需要， 而且市场庞大；二是激光硬化加工系统，因其投资大、运行成本高等原因在国内应用极 为有限，目前难以满足市场的需要。因此，研究开发一种硬化效果和效率与激光处理相 当，且投资少、运行成本低、操作简便、无污染的缸套硬化新工艺是当前汽车制造业和 维修业的迫切要求吼本课题正是为了满足这一要求而提出的。 等离子技术经过数十年的研究和发展至今已在许多领域发挥了重要的作用。等离子 束是一种高能量密度的热源，在金属材料的热加工领域已广泛用于焊接、切割和喷涂等 方面。其硬化的基本原理为：利用高能量密度的等离子束对气缸套内壁进行快速的扫描 加热，因输入线能量低，加上工作气体的冷却和铸铁缸套自身的热容及散热作用，使相 变区金属快速冷却发生淬火反应，从而达到硬化表面的目的【7 8 】。等离子束的扫描轨迹 是由工件的立式回转和焊矩的上下直线运动复合而成，可以成单螺旋或网纹状( 双向多 螺纹) 等形式。由于等离子束不是硬化整个缸套，而是在表面形成网纹状、螺旋状或波 浪状的硬化带，对气缸套工作表面实行局部硬化。这样，气缸套工作过程中硬化带成为 坚硬的骨架，而未硬化的区域又成为骨架间隙处的“油池”，大大改善了气缸套的磨损 条件，提高了气缸套的耐磨性【1 2 1 。 从二十世纪八十年代开始，国外材料科技工作者进行了等离子热处理方面的研究， 证明了等离子在热处理领域的应用是完全可行的。据资料显示 9 q 1 1 ，美国通用汽车公司 成功的将等离子技术应用于曲轴表面淬火，从而使曲轴的寿命成倍地提高，乌克兰基辅 红星机械厂也成功地把等离子技术应用于矿山机械易磨损部位的表面淬火，从而大幅度 提高了表面耐磨性。等离子技术在热处理领域更是获得日新月异的发展，如等离子束淬 火、离子束熔凝硬化、等离子束多元共渗相变强化、等离子束熔凝或熔覆合金强化。国 内在等离子热处理技术研究方面起步较晚，但进步很快，等离子束缸套内壁淬火硬化技 术是近几年来发展较快的一项新型使用技术。等离子束气缸套内壁硬化技术可对中 4 5 m m 以上的各种气缸套进行处理，我国目前有各种规模的内燃机缸套专业生产厂家8 0 多家，且产品多是含硼的铸铁缸套，实力较强的厂家都十分注重缸套质量的提高，但是 目前国内尚无统一的工艺参数配比及硬化指标等方面的标准。 等离子束技术具有设备投资少( 其设备投资只有激光的1 5 1 1 0 ) 、处理成本低、 1 华中科技大学硕士学位论文 工作效率高、无污染、对环境无特殊要求、设备操作简单和维护简单等优势，因而更适 合于工业化推广应用。等离子束硬化的质量、综合性能指标可以达到或优于激光工业化 加工技术水平，而且硬化处理后的缸套使用寿命可提高7 0 以上，其经济效益也是十 分显著的，完全可以代替激光束进行表面硬化处理。同时，本课题的预期成果解决了灰 铸铁材料不宜淬火( 一淬即裂) 这一技术难题，可推广到要求铸铁工件表面具有高硬度 和高耐磨性的其他工业领域，从而进一步拓宽了灰铸铁的应用范围，具有很强的现实意 义和推广价值。 通过我们对许昌内燃机厂配件厂的调研得到：该厂生产的气缸套主要销往国内和东 南亚，每年销售气缸套二十多万套，采用等离子束硬化前的气缸套成本为2 3 元，售价 为2 5 元，经过等离子束硬化后的缸套成本仅增加了不到1 元，而市场价却增加到2 9 元。一个缸套处理后纯利润增加了3 元，而且硬化一个缸套平均不到一分钟，效率非常 高，这样每年该厂可增收纯利润6 0 万元，再加上技术先进增加了市场竞争力，必将取 得更大的效益。 由此可见，等离子束表面硬化技术具有巨大的市场价值。 - d - 华中科技大学硕士学位论文 2 - 1 铸铁特点、分类及性能 2 理论分析 铸铁是碳含量大于2 1 1 的铁碳合金，是工业上广泛应用的一种铸造金属材料，它 是以铁、碳、硅为主的多元铁基合金。普通铸铁化学成分的大致范围为：2 5 0 4 0 0 c 、 1 0 0 3 0 0 s i 、0 4 0 1 5 0 m n 、0 0 1 0 5 0 p 、0 0 2 0 2 0 s 。杂质元素锰、磷、硫等 合金元素的存在及其含量，都将直接影响到铸铁的组织和性能。另外，为了获得某些特 殊性能的铸铁，常在铸铁成分中添加少量的铬、钼、硼等合金元素。根据铸铁中的碳在 结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，铸铁可以分为三大类：碳除少量溶 于铁索体外，其余全部以化合态的渗碳体析出，凝固后断口成白亮的颜色，称白口铸铁； 碳既以化合态的渗碳体析出，又以游离态的石墨析出，凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体 和暗灰色的石墨，称为麻口铸铁；碳全部或大部分以游离态的石墨析出，凝固后断口呈 暗灰色，故称为灰口铸铁，亦称为石墨化铸铁。 铸铁的机械性能主要取决于基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。铸 铁的金属基体有珠光体、铁索体及珠光体加铁素体三类，它们相当于钢的组织，因此可 以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。石墨若与基体相比，其强度和塑性都要 小的多，故分布于金属基体中的石墨可视为空洞，因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性 要比碳钢低。一般来说，石墨的数量愈少，形状愈接近球形，则铸铁的强度、塑性和韧 性愈高。由于石墨的存在，赋予铸铁许多钢所不及的性能，如良好的耐磨性，高的消振 性，低的缺1 ：3 敏感性以及优良的切削加工性等。此外，铸铁的碳含量高，其成分接近于 共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1 2 0 0 左右，铁水流动性好；由于石墨结晶时体 积膨胀，所以铸造收缩率小，其铸造性能优于钢。铸铁生产设备简单，成本低廉，所以 铸铁是工业上应用面宽、量大的铸造材料。 - 5 一 华中科技大学硕士学位论文 ： = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 2 2 灰铸铁的组织及性能 灰铸铁是石墨呈片状分布的铸铁，是应用最广的一类铸铁。在各类铸件体的总产量 中，灰铸铁所占的比重最大，约占8 0 p 4 上。灰铸铁的组织是由片状石墨和金属基体所 组成的。金属基体依共析阶段石墨化进行的程度不同可分为铁索体、铁素体加珠光体和 珠光体三种。 灰铸铁的金属基体和碳钢的组织相似，依化学成分、工艺条件和热处理状态不同， 可以分别获得铁素体、珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体和奥氏体等组织。由于铸铁中 含有较高的硅和锰，铸铁基体的硬度和强度比相应组织的碳钢要高一些。铸铁基体组织 中还经常出现有磷共晶和游离碳，它们能提高铸铁基体的硬度和耐磨性，但对铸铁的其 它性能几乎都是有害的，特别是对铸铁的塑性、韧性、和低温性能等有害。在实际应用 中，根据铸铁的工作条件和性能要求，对灰铸铁基体组织的类型、数量和分布形态要进 行适当地控制和加以评级f 1 3 j 。灰铸铁的性能取决于其组织中金属基体和片状石墨的数 量、大小及分布。灰口铸铁石墨呈片状分布于金属基体中，由于铸铁化学成分和冷却条 件的不同，从而导致了石墨类型、大小和分布的不同。按其形态可分为a ，b ，c ，d ， e 和f 六种类型，如表2 - 1 所示由于石墨的强度低( f i b 约为3 ) ，在铸铁中相当于裂 缝或空洞，并且片状石墨端部易引起应力集中，因此，灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性 和弹性都很低。但石墨的存在使铸铁具有优良的减振性，小的缺口敏感性和高的耐磨性。 表2 - 1石墨的分类 名称代号说明 片状 a 片状石墨均匀分布 菊花状 b 片状石墨与点状石墨聚集成菊花状分布 块片状 c 部分尖角状、粗大片状初生石墨及小片状石墨 枝晶点状 d 点片状枝晶间石墨呈无方向性分布 枝晶片状 e 短小片状枝晶间石墨呈方向性分布 星状 f 星状与短片状石墨混合物 灰铸铁的金属基体的组织分为铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种：铁索体的强 华中科技大学硕士学位论文 度、硬度低( 仅有h b l 9 0 左右) ，而塑性、韧性高，所以铁素体基体灰铸铁的机械强度 低，而塑性、韧性因石墨片割裂金属基体以及其尖端引起应力集中而很低；珠光体具有 高的强度、硬度和耐磨性，故珠光体基体的强度、硬度和耐磨性均优于铁素体基体灰铸 铁，雨塑性、韧性相差无几，所以珠光体基体灰铸铁获得了广泛的使用；铁素体加珠光 体基体灰铸铁的机械性能及耐磨性介于珠光体和铁素体基体灰铸铁之间，且因基体组织 中铁素体含量不同而在较大范围内变化。在实际生产中，获得百分之百珠光体基体组织 的灰铸铁件是比较困难的，故通常灰铸铁铸态的基体组织都是珠光体加铁素体组织。 2 3 硼铸铁 2 3 1 硼铸铁的发展及应用 硼铸铁在国外是二十世纪五十年代开始出现的，硼铸铁作为减磨材料投入使用只有 四十多年的历史。1 9 5 6 年硼铸铁的生产技术的一些基本问题获得初步解决，它首先应 用到活塞环和发动机气缸套，如在直径7 5 0 m m 的船用柴油机活塞环上的应用，其含硼量 为0 0 4 ，使用证明其磨损量仅为普通铸铁的1 3 。1 2 ，在气缸套上的使用，磨损量比 铜铬和高合金铸铁气缸套少3 0 5 0 ，这足以证明硼铸铁对气缸套和活塞环是很好的减 磨材料。1 9 6 0 年，硼铸铁应用于直径为4 4 皿的空冷四冲程竞赛摩托车发动机气缸套上， 产生了很好的效果。从1 9 6 3 年起，日本开始用硼铸铁代替其他耐磨材料来制造汽车活 塞环m 1 。 我国应用硼铸铁比较晚，在7 0 年代初期开始研制并应用于汽车和拖拉机的气缸套 和活塞环上，获得良好的效果。进入8 0 年代，青海机床厂、广东机床厂、广东肇庆机 床厂、福建三明机床厂和瓦房店机床厂生产了硼铸铁机床导轨。用硼系耐磨铸铁生产的 衬板、叶轮、叶片等产品都获得较好的使用效果。 2 3 2 硼铸铁的铸态组织 硼铸铁的铸态组织，主要由珠光体基体与片状石墨组成，此外，还含有微量游离铁 素体及少量类似磷共晶的角状组织。 一7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 在固态铸铁中，磷的溶解度是有限的，当含磷量超过溶解度极限时，则形成磷共晶。 由于其熔点较低，铸铁中磷共晶均沿晶界呈连续或断续网状分布，并常以三元磷共晶存 在。磷共晶硬而脆，因而它的存在使硼铸铁的脆性增加，耐磨性提高。用硝酸酒精溶液 侵蚀后，呈白亮色。 硼在铁中的溶解度极微，可形成置换式和间隙式两种固溶体。硼还可固溶于f e ，c 、 f e 。p 形成含硼的复合物。硼在晶粒边界浓度较高，故硼易沿晶界形成硼化物。硼在铸铁 中以三种形式存在：( 1 ) 固溶于铁中，形成含硼固溶体；( 2 ) 固溶于f e 3 c 、f e s p 形成复 合硼化物f e 。( c b ) 、f e 。( p b ) ；( 3 ) 形成硼化物f e ：b “”。 2 3 3 硼铸铁的性能 在普通铸铁中间加入微量的硼，就能显著的提高铸铁的硬度、耐磨性。硼铸铁中， 硼含量一般在o 0 3 0 1 5 之间。硼铸铁典型零件的化学成分如表2 2 。 表2 - 2 硼铸铁典型零件的化学成分 化学成分 零件名称 cs im npsb其它 气缸套 2 9 3 51 - 8 2 4o 7 1 20 2 o 4 o 10 0 4 0 0 5c r0 2 - 0 5 活塞环 3 5 3 72 4 2 60 8 - 1 0o 2 o 3 0 0 6 0 0 3 0 0 5 水泵叶轮 3 3 3 51 5 - 1 8o 5 o 6 o 1 o 10 0 4 - 0 0 7c u0 2 - 0 3 机床导轨 2 9 - 3 21 2 - 1 7o 5 1 0 0 3 0 1 20 0 3 - 0 0 6 铁等) ，对于一些不承受冲击负荷的耐磨件用含磷铸铁，在此类铸铁中磷共晶呈断续网 状分布，形成坚硬的骨骼，虽性脆，但耐磨性好。 硼铸铁中的合金元素对组织及性能有较明显的影响，对铸铁的硬度、耐腐蚀性和耐 磨性则影响显著。 硼是一种特殊元素，原子系数为5 ，介于金属与非金属之间，既能与金属化合又可 与非金属化合，因此它在铁中的存在形式也有其特殊性。硼加入铸铁中可以生成硼碳化 物。一般认为在普通铸铁中加硼形成f e 。( c ，b ) 和f e ：。( c ，b ) 。在含有定量的v ，c r 华中科技大学硕士学位论文 和并等合金兀素对贝0 形成( f e x ) ( c ，b ) 和( f e 。，x ) ”( c ，b ) s ，属多相结构。硼可与 y f e 形成间隙式固溶体，硼在y f e 中的扩散速度相当于碳的扩散速度。硼、铁和碳 可形成三元化合物，也就是在硼铸铁中形成碳化物。因为硼原子半径大于碳原子半径， 在置换固溶时，必使碳化物产生更大晶格扭曲，使溶入硼的碳化物f e 。( c ，b ) 。比渗碳 体的显微硬度高，可以说在铸铁中由于硼的加入，所获得的碳化物是一种固溶式的硼碳 化合物。硼在铸铁中形成固溶式硼碳化合物，随溶入量不同有着不同的形态，按其常见 的形态可分为针状、块状和莱氏体状三种，这种碳化物主要是溶入硼原子的硼碳化合物 f e s ( c ，b ) 或f e ”( c ，b ) 。，即硼原子溶解在渗碳体的碳原子中。硼能强烈地阻碍石墨化， 但能提高碳的活度和扩散能力，硼能改变铸铁中的石墨的形态，使石墨变细、变粗或变 直，硼也能细化晶粒，提高淬透性。 磷少量可固溶于f 内，其固溶量随碳含量的增加和冷却速度的降低而降低，磷主要 以二元磷共晶( f e f e ，p ) 、三元磷共晶( f e f e ，p f e 。c ) 和复合磷共晶的形式存在于灰 铸铁中。随着含磷量的增加，组织中形成二元或三元磷共晶。在灰铸铁中由于过冷度较 小，渗碳体可以完全分解，故主要为二元磷共晶。磷共晶的特点是硬度高、脆性大，分 布在晶粒的边界上，割裂了晶粒的连续性，使铸铁的强度塑性下降，硬度提高。二元或 三元磷共晶的熔点较低，在铸铁凝固后期富磷的液体汇集在a 问，凝固后形成边缘向内 弯曲的块状，有时沿a 晶界分布成网状。若磷共晶形成连续的网状，则铸铁的强度、韧 性下降，但少量均匀孤立分布的二元或三元磷共晶，不仅不影响强度。而且有利于提高 耐磨性。 c 含量在1 以下以化合碳的形式存在，其余以石墨的形式存在。碳是强烈促进石墨 化的元素，随含碳量的增加。灰铸铁组织中的石墨变得粗大，数量增多，机械性能和硬 度显著下降。 s i 在灰铸铁中固溶于f 中。s i 也是强烈促进石墨化的元素，只不过s i 没有碳强烈， 所起的作用近似于碳的三分之。随着含s i 量的增加，灰铸铁金相组织中的石墨也变 粗大且数量增多，p 变粗，f 渐增，机械性能和硬度显著下降。 n 除少量固溶于f 以外，大部分溶入共析碳化物和渗碳体中，以复合碳化物( f e ，