吳和保，張亞平，夏志全， 蔡安克，樊自田，董選普

(1．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205;2．武漢鋼鐵公司鋼鐵研究院，湖北 武漢 430083；3．中國一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所，湖北 洛陽 471003；4．華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

0 引 言

在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和物流行業(yè)快速發(fā)展的大背景下，大功率載重車、工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量不斷增加，發(fā)動機(jī)氣缸體與氣缸蓋的工作溫度越來越高，傳統(tǒng)灰鑄鐵HT250合金材料已不能滿足大功率柴油機(jī)的性能要求，發(fā)動機(jī)工作可靠性、合金材料的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐熱性能和抗高溫蠕變性很難保證，開發(fā)高強(qiáng)度、高耐熱性、高抗蠕變性的合金鑄鐵成為開發(fā)大功率柴油發(fā)動機(jī)的必備條件[1-2].

蠕墨鑄鐵是一種珠光體基體組織上均勻分布著蠕蟲狀石墨的鑄鐵合金材料，具有強(qiáng)度高，傳熱系數(shù)高，抗高溫蠕變性能好和良好鑄造工藝性能，對于改進(jìn)大功率柴油發(fā)動機(jī)使用性能具有重要意義[3-4].但是，蠕墨鑄鐵生產(chǎn)過程中蠕化處理工藝不易控制，蠕化處理不足會形成粗大的片狀石墨，蠕化處理過量則形成球狀石墨，使鑄件凝固時產(chǎn)生大量的縮孔縮松缺陷，導(dǎo)熱性能和抗高溫蠕變性能惡化[5-7].本文在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國一拖集團(tuán)有限公司“東方紅100”系列柴油發(fā)動機(jī)缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用自制新型蠕化劑對鐵液進(jìn)行沖入法蠕化處理，并澆注“東方紅100”系列柴油發(fā)動機(jī)缸體鑄件，探索蠕化處理工藝與石墨形態(tài)、力學(xué)性能之間的相互關(guān)系，為大功率柴油發(fā)動機(jī)缸體蠕墨鑄鐵合金材料的應(yīng)用奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 鐵液化學(xué)成分的確定

根據(jù)新型蠕化劑的性能特點(diǎn)和“東方紅100”系列柴油機(jī)缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，化學(xué)成分設(shè)計(jì)需要充分考慮到鐵液凝固過程的收縮特點(diǎn)和性能要求，既要避免白口傾向，又要減少石墨粗大帶來的性能降低的風(fēng)險.澆注缸體鑄件的原鐵液的基本化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:3.80%～4.20%C，1.70%～1.85%Si，≤0.5%Mn，≤0.06%P，0.07%S.同時為了強(qiáng)化基體組織，合金中加入0.5%Cu，從而獲得足夠多的細(xì)小珠光體組織和較高的抗拉強(qiáng)度.

1.2 蠕化劑的選用

根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，本實(shí)驗(yàn)在中國一拖集團(tuán)有限公司的工藝材料研究所進(jìn)行的，蠕化劑采用課題組研制的新型蠕化劑，該化學(xué)成分如表1所示.

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

1.3 鐵液熔煉方法和蠕化處理工藝

實(shí)驗(yàn)采用500 kg中頻感應(yīng)電爐熔煉，原鐵液化學(xué)成分按照設(shè)計(jì)成分配料.熔化出爐溫度控制在1 500～1 550 ℃，沖入法處理，蠕化處理溫度為1 460～1 500 ℃之間，澆注溫度控制在1 380～1 420 ℃.澆注前，澆注三角試片判斷蠕化效果，合格鐵液分別澆注階梯試樣、Y型試樣和“東方紅100”缸體.Y型試樣測定機(jī)械性能、階梯試樣和缸體解剖后檢測蠕墨鑄鐵的斷面敏感性和石墨形態(tài).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 殘余Mg和殘余Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蠕化效果的影響

根據(jù)蠕墨鑄鐵爐前處理工藝，殘余Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和殘余Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是關(guān)系到蠕化效果和石墨形態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)對每爐次澆注的Y型試樣、階梯試樣和缸體進(jìn)行化學(xué)分析和顯微組織的檢測，探索蠕化處理后的殘余Mg和殘余Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與蠕墨鑄鐵的蠕化率、石墨形態(tài)、力學(xué)性能之間的相互關(guān)系.

表2列舉了本次實(shí)驗(yàn)中的8組典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)蠕化劑的加入量為0.5%～2.0%，檢測得到的殘余Mg和殘余Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：0.008%～0.032%、0.029%～0.127%.石墨形態(tài)分析的結(jié)果顯示，隨著蠕化劑加入量的增加，殘余Mg和殘余Re都有一定程度的增加，但殘余Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較少，而稀土殘余量普遍較高，其主要原因是Mg元素較為活潑，大量Mg與鐵液中的氧、硫等元素反應(yīng)而進(jìn)入爐渣.Mg、Re的增加使鑄鐵合金的石墨形態(tài)逐步由片狀石墨轉(zhuǎn)變成蠕蟲狀石墨.當(dāng)蠕墨鑄鐵的殘余Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.015%～0.025%之間，殘余Re的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.031%～0.098%之間時，都可以獲得比較好的蠕化效果，過低就得不到蠕蟲狀石墨，并且可能出現(xiàn)片狀石墨；過高就會使蠕化率降低，從而出現(xiàn)大量球狀石墨.從中不難看出，形成蠕蟲狀石墨的關(guān)鍵元素是Mg，而Re對蠕蟲狀石墨的影響相對較小，形成蠕蟲狀石墨的Re含量范圍較寬.

表2 蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分及對石墨形態(tài)的影響Table 2 The test results of chemical composition of compacted cast iron

2.2 不同壁厚鑄件蠕化率及機(jī)械性能受到蠕化劑加入量的影響分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，每爐鐵液都澆注Y型試樣和階梯式樣，分別測定蠕墨鑄鐵的布氏硬度、抗拉強(qiáng)度和石墨形態(tài)，圖1是采用蠕墨鑄鐵澆注的“東方紅100”缸體鑄件結(jié)構(gòu)及其石墨組織和布氏硬度取樣點(diǎn)示意圖，檢測結(jié)果如表3所示.

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)蠕化劑的加入量控制在0.8%～1.8%之間時，無論是壁厚比較薄(8 mm)處還是壁厚比較厚的地方(40 mm)都能獲得較好的蠕化效果，蠕化率均可以達(dá)到50%以上，抗拉強(qiáng)度都可以在284～419 MPa之間，充分說明所研制的新型蠕化劑具有較穩(wěn)定的蠕化處理效果，斷面敏感性較低，能滿足形狀復(fù)雜缸體蠕墨鑄鐵的質(zhì)量要求.但是，當(dāng)蠕化劑加入量不足時，石墨形態(tài)則為粗大的片狀石墨，抗拉強(qiáng)度只有169 MPa，遠(yuǎn)低于普通灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度.這主要是因?yàn)槿淠T鐵爐前處理時，加入了大量的蠕化劑，使合金的含碳量和含硅量大大高于灰鑄鐵，而形成粗大的片狀石墨，割裂了基體組織，從而使抗拉強(qiáng)度明顯下降.同時，當(dāng)蠕化劑加入量達(dá)到2.0%以上時，蠕化率下降明顯，球狀石墨增加，抗拉強(qiáng)度顯著增加，形成了球墨鑄鐵合金材料.雖然增加蠕化劑加入量能提高抗拉強(qiáng)度，但是，由于球墨鑄鐵凝固時為體積凝固，容易形成大量的微觀縮孔，達(dá)不到缸體類鑄件的質(zhì)量要求，也會降低合金材料的導(dǎo)熱性能和抗高溫蠕變性能，難以滿足大功率柴油發(fā)動機(jī)工作性能的要求[8-11].因此，為了使鑄鐵合金干式柴油機(jī)缸體具有良好的力學(xué)性能、物理性能及工藝性能，蠕化劑加入量的最佳范圍為1.0%～1.6%.

圖1 柴油發(fā)動機(jī)缸體微觀組織分析出樣示意圖Fig.1 The sampling schematic diagram analysis of diesel engine cylinder microstructure 注：A處壁厚45 mm；B處壁厚20 mm；C處壁厚8 mm

實(shí)驗(yàn)編號蠕化劑加入量的體積分?jǐn)?shù)/% 不同壁厚處缸體的石墨形態(tài) 力學(xué)性能 40mm20mm8mmδb/MPaHBS10.5片狀片狀片狀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 結(jié) 語

a.缸體蠕墨鑄鐵爐前處理時，隨著蠕化劑加入量的增加，鎂和稀土的殘余量也隨之增加，其中影響蠕化效果的關(guān)鍵元素是殘余Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，應(yīng)控制在0.018%～0.025%之間.

b.稀土元素Re的殘余量的控制范圍相對Mg的殘余量要寬一些，一般在0.035%～0.069%，而且對于原鐵液硫含量較高時，適當(dāng)增加稀土Re的含量有利于蠕墨鑄鐵性能的穩(wěn)定.

c.根據(jù)缸體結(jié)構(gòu)特征研制的新型蠕化劑蠕化處理效果穩(wěn)定可靠，當(dāng)蠕化劑的加入量在1.0%～1.6%時可以穩(wěn)定得到50%～80%蠕化率的蠕墨鑄鐵，且壁厚敏感性較小，蠕化劑的加入范圍較寬.

d.采用蠕墨鑄鐵生產(chǎn)柴油機(jī)缸體鑄件需嚴(yán)格控制鐵液的化學(xué)成分，碳、硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別應(yīng)控制在3.70%～3.90%C，2.20%～2.40%Si之間，以確保獲得良好蠕化效果的同時，鑄件也具有較好的充型性能.

致 謝

本研究是在中國一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所完成實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，并在華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院完成數(shù)據(jù)分析計(jì)算，在此表示衷心的感謝！

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