干式缸体炉前蠕化处理工艺及其力学性能

吴和保，张亚平，夏志全， 蔡安克，樊自田，董选普

(1．武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205;2．武汉钢铁公司钢铁研究院，湖北 武汉 430083；3．中国一拖集团有限公司工艺材料研究所，湖北 洛阳 471003；4．华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430056)

0 引 言

在我国基础设施建设和物流行业快速发展的大背景下，大功率载重车、工程机械和农业机械保有量不断增加，发动机气缸体与气缸盖的工作温度越来越高，传统灰铸铁HT250合金材料已不能满足大功率柴油机的性能要求，发动机工作可靠性、合金材料的抗拉强度、疲劳强度、耐热性能和抗高温蠕变性很难保证，开发高强度、高耐热性、高抗蠕变性的合金铸铁成为开发大功率柴油发动机的必备条件[1-2].

蠕墨铸铁是一种珠光体基体组织上均匀分布着蠕虫状石墨的铸铁合金材料，具有强度高，传热系数高，抗高温蠕变性能好和良好铸造工艺性能，对于改进大功率柴油发动机使用性能具有重要意义[3-4].但是，蠕墨铸铁生产过程中蠕化处理工艺不易控制，蠕化处理不足会形成粗大的片状石墨，蠕化处理过量则形成球状石墨，使铸件凝固时产生大量的缩孔缩松缺陷，导热性能和抗高温蠕变性能恶化[5-7].本文在实验研究的基础上，结合中国一拖集团有限公司“东方红100”系列柴油发动机缸体的结构特点，采用自制新型蠕化剂对铁液进行冲入法蠕化处理，并浇注“东方红100”系列柴油发动机缸体铸件，探索蠕化处理工艺与石墨形态、力学性能之间的相互关系，为大功率柴油发动机缸体蠕墨铸铁合金材料的应用奠定良好的技术基础.

1 实验方案

1.1 铁液化学成分的确定

根据新型蠕化剂的性能特点和“东方红100”系列柴油机缸体的结构特点，化学成分设计需要充分考虑到铁液凝固过程的收缩特点和性能要求，既要避免白口倾向，又要减少石墨粗大带来的性能降低的风险.浇注缸体铸件的原铁液的基本化学成分的质量分数为:3.80%～4.20%C，1.70%～1.85%Si，≤0.5%Mn，≤0.06%P，0.07%S.同时为了强化基体组织，合金中加入0.5%Cu，从而获得足够多的细小珠光体组织和较高的抗拉强度.

1.2 蠕化剂的选用

根据现有实验条件，本实验在中国一拖集团有限公司的工艺材料研究所进行的，蠕化剂采用课题组研制的新型蠕化剂，该化学成分如表1所示.

表1 新型蠕化剂的主要成分Table 1 The main composition of new vermicular agent%

1.3 铁液熔炼方法和蠕化处理工艺

实验采用500 kg中频感应电炉熔炼，原铁液化学成分按照设计成分配料.熔化出炉温度控制在1 500～1 550 ℃，冲入法处理，蠕化处理温度为1 460～1 500 ℃之间，浇注温度控制在1 380～1 420 ℃.浇注前，浇注三角试片判断蠕化效果，合格铁液分别浇注阶梯试样、Y型试样和“东方红100”缸体.Y型试样测定机械性能、阶梯试样和缸体解剖后检测蠕墨铸铁的断面敏感性和石墨形态.

2 实验结果及分析

2.1 残余Mg和残余Re的质量分数对蠕化效果的影响

根据蠕墨铸铁炉前处理工艺，残余Mg的质量分数和残余Re的质量分数是关系到蠕化效果和石墨形态的关键参数，本实验对每炉次浇注的Y型试样、阶梯试样和缸体进行化学分析和显微组织的检测，探索蠕化处理后的残余Mg和残余Re的质量分数与蠕墨铸铁的蠕化率、石墨形态、力学性能之间的相互关系.

表2列举了本次实验中的8组典型实验数据，当蠕化剂的加入量为0.5%～2.0%，检测得到的残余Mg和残余Re的质量分数分别为：0.008%～0.032%、0.029%～0.127%.石墨形态分析的结果显示，随着蠕化剂加入量的增加，残余Mg和残余Re都有一定程度的增加，但残余Mg的质量分数相对较少，而稀土残余量普遍较高，其主要原因是Mg元素较为活泼，大量Mg与铁液中的氧、硫等元素反应而进入炉渣.Mg、Re的增加使铸铁合金的石墨形态逐步由片状石墨转变成蠕虫状石墨.当蠕墨铸铁的残余Mg的质量分数在0.015%～0.025%之间，残余Re的质量分数在0.031%～0.098%之间时，都可以获得比较好的蠕化效果，过低就得不到蠕虫状石墨，并且可能出现片状石墨；过高就会使蠕化率降低，从而出现大量球状石墨.从中不难看出，形成蠕虫状石墨的关键元素是Mg，而Re对蠕虫状石墨的影响相对较小，形成蠕虫状石墨的Re含量范围较宽.

表2 蠕墨铸铁的化学成分及对石墨形态的影响Table 2 The test results of chemical composition of compacted cast iron

2.2 不同壁厚铸件蠕化率及机械性能受到蠕化剂加入量的影响分析

在实验过程中，每炉铁液都浇注Y型试样和阶梯式样，分别测定蠕墨铸铁的布氏硬度、抗拉强度和石墨形态，图1是采用蠕墨铸铁浇注的“东方红100”缸体铸件结构及其石墨组织和布氏硬度取样点示意图，检测结果如表3所示.

实验的结果表明，当蠕化剂的加入量控制在0.8%～1.8%之间时，无论是壁厚比较薄(8 mm)处还是壁厚比较厚的地方(40 mm)都能获得较好的蠕化效果，蠕化率均可以达到50%以上，抗拉强度都可以在284～419 MPa之间，充分说明所研制的新型蠕化剂具有较稳定的蠕化处理效果，断面敏感性较低，能满足形状复杂缸体蠕墨铸铁的质量要求.但是，当蠕化剂加入量不足时，石墨形态则为粗大的片状石墨，抗拉强度只有169 MPa，远低于普通灰铸铁的抗拉强度.这主要是因为蠕墨铸铁炉前处理时，加入了大量的蠕化剂，使合金的含碳量和含硅量大大高于灰铸铁，而形成粗大的片状石墨，割裂了基体组织，从而使抗拉强度明显下降.同时，当蠕化剂加入量达到2.0%以上时，蠕化率下降明显，球状石墨增加，抗拉强度显著增加，形成了球墨铸铁合金材料.虽然增加蠕化剂加入量能提高抗拉强度，但是，由于球墨铸铁凝固时为体积凝固，容易形成大量的微观缩孔，达不到缸体类铸件的质量要求，也会降低合金材料的导热性能和抗高温蠕变性能，难以满足大功率柴油发动机工作性能的要求[8-11].因此，为了使铸铁合金干式柴油机缸体具有良好的力学性能、物理性能及工艺性能，蠕化剂加入量的最佳范围为1.0%～1.6%.

图1 柴油发动机缸体微观组织分析出样示意图Fig.1 The sampling schematic diagram analysis of diesel engine cylinder microstructure 注：A处壁厚45 mm；B处壁厚20 mm；C处壁厚8 mm

实验编号蠕化剂加入量的体积分数/% 不同壁厚处缸体的石墨形态 力学性能 40mm20mm8mmδb/MPaHBS10.5片状片状片状16915820.8蠕45蠕85蠕7528418731.0蠕85蠕85蠕7536915841.2蠕85蠕85蠕7538418751.4蠕80蠕75蠕5539719361.6蠕75蠕65蠕5540517971.8蠕35蠕15蠕1045918382.0蠕25蠕10蠕5527180

3 结 语

a.缸体蠕墨铸铁炉前处理时，随着蠕化剂加入量的增加，镁和稀土的残余量也随之增加，其中影响蠕化效果的关键元素是残余Mg的质量分数，应控制在0.018%～0.025%之间.

b.稀土元素Re的残余量的控制范围相对Mg的残余量要宽一些，一般在0.035%～0.069%，而且对于原铁液硫含量较高时，适当增加稀土Re的含量有利于蠕墨铸铁性能的稳定.

c.根据缸体结构特征研制的新型蠕化剂蠕化处理效果稳定可靠，当蠕化剂的加入量在1.0%～1.6%时可以稳定得到50%～80%蠕化率的蠕墨铸铁，且壁厚敏感性较小，蠕化剂的加入范围较宽.

d.采用蠕墨铸铁生产柴油机缸体铸件需严格控制铁液的化学成分，碳、硅的质量分数分别应控制在3.70%～3.90%C，2.20%～2.40%Si之间，以确保获得良好蠕化效果的同时，铸件也具有较好的充型性能.

致 谢

本研究是在中国一拖集团有限公司工艺材料研究所完成实验和数据采集，并在华中科技大学材料科学与工程学院完成数据分析计算，在此表示衷心的感谢！

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