趙 峰

（鄭州煤礦機械制造技工學(xué)校，河南 鄭州 450013）

1 發(fā)動機缸套的破壞形式分析

發(fā)動機缸套與活塞之間的摩擦是一個典型的摩擦學(xué)系統(tǒng)，存在著許多類型的摩擦與磨損，摩擦、磨損和潤滑相互作用非常顯著。且在最高2800 K的高溫和最高可達5 MPa高壓下及潤滑條件不良且固體微粒和腐蝕介質(zhì)條件下作高速相對運動，零件內(nèi)部產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力，同時承受強烈的摩擦和磨損。關(guān)于發(fā)動機汽缸的摩擦問題是提高其可靠性和耐久性、保證發(fā)動機經(jīng)濟性具有決定性作用。

缸套和活塞環(huán)之間的磨損是磨損的最主要部分。減少缸套和活塞環(huán)間的磨損是提高發(fā)動機使用壽命的主要任務(wù)。缸套和活塞環(huán)的磨損是很復(fù)雜的，受許多因素的影響，同時磨損包含著粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損等多種形式的磨損。其中在缸套活塞環(huán)間的磨損在上、下死點出磨損最大。發(fā)動機的汽缸套的腐蝕破壞多發(fā)生在缸套冷卻水側(cè)表面連桿運動平面內(nèi)，發(fā)動機運動一段時間后，在缸套承受活塞側(cè)壓力的一側(cè)，出現(xiàn)聚集的凹穴和麻點，在隨著時間的延長凹穴和麻點不斷增多加深，形成大蝕坑。發(fā)動機工作過程中是依靠作用于活塞上的燃?xì)鈮毫硗瓿傻?，燃?xì)鈮毫κ遣粩嘧兓?，隨著曲柄位置的不同，在連桿擺動的平面內(nèi)同時有交變的橫向力和軸向力作用于活塞。發(fā)動機工作時在橫向力的作用下，活塞發(fā)生橫向擺動從而產(chǎn)生對缸套的撞擊。缸套壁受到撞擊時會產(chǎn)生局部變形，由于缸套表面的變形，誘發(fā)裂紋沿晶界萌生及擴展，而且在晶體內(nèi)強韌性相對較差的局部微區(qū)形成蝕坑，造成缸套表面的破壞，產(chǎn)生空蝕磨損。

根據(jù)上述的摩擦分析正確選擇摩擦副材料是減少磨損的關(guān)鍵，所以應(yīng)選擇機械性能較高，且還要在高溫作用下保證足夠的強度和硬度。目前發(fā)動機缸套是灰鑄鐵，灰鑄鐵的機械性能和高溫下的強度和硬度較低，受到的磨損較大，選擇一種新的材料取代灰鑄鐵顯得尤為重要。由于活塞的運行過程中，缸壁承受高壓氣體和活塞的側(cè)推力引起應(yīng)力，以及由于高溫氣體引起的熱應(yīng)力，使造成缸套變形或材料過早疲勞破壞。也是考慮所選材料具有一定的結(jié)構(gòu)強度和疲勞強度。根據(jù)上述的摩檫、力學(xué)和腐蝕破壞分析，正確選擇摩擦副的材料是提高缸套-活塞環(huán)耐磨性、耐腐蝕性、壽命的關(guān)鍵。

2 蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵性能比較

蠕墨鑄鐵有較好機械性能，雖然蠕墨鑄鐵的塑性較低。但抗拉強度和屈服強度和可鍛鑄鐵相似。全部珠光體的蠕墨鑄鐵缸體的抗拉強度比珠光體灰鑄鐵高兩倍，即使70%珠光體的蠕墨鑄鐵缸體的抗拉強度也比珠光體灰鑄鐵高，還具有較好的塑性。

（1）剛度方面。蠕墨鑄鐵的彈性模量比灰鑄鐵提高30%～40%，減少變形，降低振動，其結(jié)果便于輕量化。

（2）疲勞強度方面。由于蠕墨鑄鐵獨特的石墨形態(tài)使其減少了裂紋的產(chǎn)生和擴展，因而其疲勞強度是均好于灰鑄鐵。

（3）硬度方面。采用簡單的冶金技術(shù)，改變?nèi)淠T鐵的基體結(jié)構(gòu)，能達到提高硬度等級的目的，70%珠光體的蠕墨鑄鐵與100%珠光體的灰鑄鐵的硬度相同，且具有更高的抗拉強度。

（4）蠕墨鑄鐵高溫性能。在500℃保持32周的蠕鐵生長及起皮實驗中表明：蠕鐵的生長及起皮與成分相似的灰鐵無顯著差異。在600℃時，蠕鐵抗生長與抗起皮能力則比灰鑄鐵好，退火鐵素體的蠕鐵的抗拉強度和屈服強度直至500℃有一定的下降。在300℃以前，強度下降的很小。在300～500℃之間相應(yīng)都有一定程度的強度下降和塑性的增加。此外，蠕墨鑄鐵的其它性能，如導(dǎo)熱性、鑄造工藝性以及機加工性等，與灰鑄鐵相近，而耐熱疲勞強度和耐腐蝕等，優(yōu)于灰鑄鐵。

3 蠕墨鑄鐵的耐磨性分析

在耐磨性方面。蠕墨鑄鐵中的石墨表面粗糙，限制了石墨的脫離，使得石墨粒子在表面長期存在，因此其耐磨性比灰鑄鐵高40%～70%，但是由于灰鑄鐵中C元素以片狀石墨長且薄，表面平坦，端部尖銳，在承受載荷時尖銳部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為灰鑄鐵破壞的起點，造成鑄件的強度和韌性的下降，石墨雖然是優(yōu)良的固體潤滑劑，能防止劇烈的磨損，但其平坦的表面易造成石墨的脫落，同時尖銳部的端部產(chǎn)生裂紋擴展，反而引起磨損的加劇，所以由于片狀石墨的存在，使得為了繼續(xù)提高灰鑄鐵的強度、韌性和耐磨性變的極為困難。所以從石墨的形態(tài)出發(fā)，用蠕墨鑄鐵取代灰鑄鐵的最好材料。蠕墨鑄鐵的石墨形狀與片狀石墨相比，其長度較短而厚，端部較圓，且表面粗糙，較圓的端部能抑制裂紋的發(fā)生和擴展，粗糙的表面也能限制石墨的脫落，這種獨特的石墨形狀與灰鑄鐵相比，能大大的提高抗拉強度，疲勞強度，彈性模量和耐磨性能。還有人認(rèn)為，蠕墨鑄鐵的金相組織具有框絡(luò)結(jié)構(gòu)強化了蠕墨鑄鐵的組織，是蠕墨鑄鐵有了好的機械性能，在承受潤滑摩擦?xí)r，球鐵筐絡(luò)凸起，蠕墨共晶團下凹而儲油，從而使蠕墨鑄鐵具有良好的減磨性能。

4 結(jié)語

綜上所論，蠕墨鑄鐵不僅具有以上所要求的性能外，且在機械性能方面優(yōu)于灰鑄鐵，用蠕墨鑄鐵代替灰鑄鐵作發(fā)動機的汽缸材料在機械性能、用壽命、重量、尺寸、等諸多方面。都有顯著由于蠕墨鑄鐵具有如此優(yōu)良的性能，因此用蠕墨鑄鐵替代灰鑄鐵氣缸體材料，可以減小缸體壁厚，減輕缸體質(zhì)量，降低磨損和油耗，提高發(fā)動機效率和使用壽命。發(fā)動機上采用蠕墨鑄鐵材料，使發(fā)動機質(zhì)量減輕20%，功率提高1.7倍。

[1][美]C.FWalton T.J.Opar.童本行，歐陽真，余篤武，編譯.鑄鐵件手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990，（12）.

[2]陳加瑞.汽車構(gòu)造（上冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000，（10）.

[3][德]維爾弗里德·施陶特.屈求真，胡寧，編譯.汽車技術(shù)專業(yè)教材[M].北京：北京大學(xué)出版社，1999，（5）.

[4]林福嚴(yán)，曲敬信，陳華輝.磨損理論及抗磨技術(shù)[M].北京：科技出版社，1993.

[5]黃繼湯.空化與空蝕的原理應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.