硅鋇孕育劑在缸體鑄件上的應用研究

宋 巖，楊永錄，梁加芳

（一拖（洛陽）鑄造有限公司，河南洛陽 471004）

硅鋇孕育劑在缸體鑄件上的應用研究

宋 巖，楊永錄，梁加芳

（一拖（洛陽）鑄造有限公司，河南洛陽 471004）

本文研究了使用硅鋇孕育劑和硅鐵孕育劑對缸體鑄件材質性能和組織的影響。實驗結果表明，使用硅鋇孕育劑復合孕育工藝替代銅合金化工藝后，不但可以保證鑄件本體的機械性能和組織要求，而且降低了鑄件生產(chǎn)成本。

缸體，硅鋇孕育劑，節(jié)約成本

1 引言

灰鑄鐵件生產(chǎn)中，往往通過孕育處理消除鑄造缺陷，調整硬度，改善機械加工性能。孕育處理不僅可以最大限度地減少鑄件薄壁部分的白口傾向，改善鑄件的顯微組織和性能，細化晶粒，而且可以提高灰鑄鐵件強度[1]。FeSi75孕育劑在增加共晶團數(shù)量，細化晶粒，促進A型石墨方面作用較強，但孕育后達到飽和時間短。長效孕育劑能顯著延長孕育作用的有效時間。

隨著柴油機功率提高，對柴油機主要部件——缸體的材質性能要求隨之提高。一拖鑄造公司生產(chǎn)缸體零件一直采用FeSi75孕育劑加銅鉻合金化的處理方法，該工藝能夠保證鑄件的材質性能，但存在鑄件生產(chǎn)合金成本高的問題，且經(jīng)常出現(xiàn)鑄件薄壁處白口和加工難的問題。通過改進孕育工藝和孕育效果，改善灰鑄鐵的機械性能和組織均勻性，是灰鑄鐵研究的重要發(fā)展方向之一。所以有必要探索新的復合孕育劑來代替原有的生產(chǎn)工藝以降低鑄件的生產(chǎn)成本。

硅鋇孕育劑是一種長效孕育劑，具有很強的促進石墨化的能力，可改善薄壁鑄件中石墨的形態(tài)和分布狀況，而且還有減緩孕育衰退的作用。硅鋇孕育劑比硅鐵有更強的增加共晶團數(shù)和改善斷面均勻性能力。資料[2]介紹使用硅鋇孕育劑后，可提高鑄件強度，硬度差大幅減少，鑄件尖角處白口消除。

本文是以一拖鑄造公司生產(chǎn)的四缸干式缸體為對象，使用硅鋇孕育劑復合孕育加鉻與硅鐵孕育劑加銅鉻合金化工藝進行對比生產(chǎn)工藝試驗。

2 試驗條件和方法

2.1 試驗條件

四缸干式缸體（圖1）在一拖鑄造公司靜壓線生產(chǎn)，鑄件重量151kg，每型1件。鐵液熔煉采用12t外水冷沖天爐與30t工頻爐雙聯(lián)熔煉；爐前采用氣動孕育裝置，出鐵時孕育劑隨鐵液流入包內(nèi)。試驗所用孕育劑成分見表1。澆注采用1.5t雙工位自動澆注機澆注，采用程控在線隨流孕育裝置，根據(jù)孕育量設定值在澆注時隨流孕育，隨流孕育劑為硅鐵孕育劑（粒度0.4mm～1mm），孕育量0.08%～0.1%。原工藝鐵液成分要求：3.20%～3.35%C；1.75%～2.0%Si；0.8%～1.0%Mn；≤0.12%S；≤0.08%P；0.2%～0.3%Cr；0.3%～0.5%Cu。試驗鐵液成分要求：3.20%～3.35%C；1.75%～2.0%Si；0.8%～1.0%Mn；≤0.12%S；≤0.08%P；0.2%～0.3%Cr。其它熔煉條件均不發(fā)生變化。

表1 試驗用孕育劑成分含量（%）

2.2 試驗方法

本次缸體工藝試驗選擇在同一爐原鐵液成分相同的情況下，分別采用硅鋇復合孕育加鉻和硅鐵孕育加銅鉻兩種工藝方案，對爐前包內(nèi)鐵液進行處理，在靜壓線澆注四缸干式缸體。每種工藝方案對應所澆注的鑄件流水號，每一種方案對鑄件硬度、單鑄試棒進行檢驗，同時各取一個鑄件進行本體解剖和材質檢測。對比分析同一缸體上不同部位不同壁厚的硬度、強度及金相組織。具體實施方案見表2。

表2 兩種方案的孕育方法

2.3 試驗過程

（1）澆注試棒

按兩種工藝方案要求控制化學成分和進行爐前處理（孕育及合金化）；每種方案澆注1組單鑄試棒，每組三根。試棒開箱時間全部為18min。爐前鐵液化學成分見表3。

表3 澆注試棒爐前包內(nèi)鐵液化學成分（%）

（2）鑄件硬度檢測

取兩種方案鑄件各7件檢查鑄件頂面硬度，檢驗部位在每個鑄件檢查缸頂面3個位置（缸蓋與缸體連接大螺栓柱位置）。爐前澆注階梯試塊，檢測不同厚度試塊的硬度及金相組織。

（3）本體強度及金相組織檢測

每種工藝方案依據(jù)所對應流水號各取一個鑄件進行解剖，檢驗缸體不同部位本體的硬度、抗拉強度及金相組織；本體取樣部位包括缸頂面、軸瓦、主油道、缸孔壁（圖2）、底部法蘭、軸承座等部位。

3 試驗結果及分析

3.1 缸體鑄件材質要求

四缸干式缸體鑄鐵牌號HT250。隨爐澆注?30mm的單鑄試棒，抗拉強度≥250MPa；鑄件各部位（底面、頂面、主油道、軸承座等部位）本體強度達到GB/T9439－2010標準要求，即壁厚20mm～40mm，對應本體強度≥195MPa；壁厚10mm～20mm，對應本體強度≥225MPa。缸體表面硬度應達到HB180～250；鑄件硬度在頂面、底面、主軸承孔分開面上測量（以上測量面均為加工表面），同一缸體鑄件的硬度差不大于30HB。金相組織細片珠光體的含量不低于95%，滲碳體、磷共晶均不大于1%；石墨形態(tài)以A型為主，允許少量B型石墨，石墨長4～6級，且要求均勻分布。

3.2 單鑄試棒檢驗結果及分析

試棒化學成分檢測結果如表3所示，機械性能及金相組織檢驗結果如表4所示。從結果上看，二種工藝方案澆注的試棒石墨形態(tài)均為A型石墨，石長4級。說明對于雙聯(lián)熔煉工藝，控制好爐內(nèi)原鐵液成分含量，同時保證出鐵時適當?shù)脑杏?，兩種工藝方案都可以滿足HT250牌號的抗拉強度和金相組織要求。使用硅鋇孕育劑后，與普通硅鐵孕育相比，爐前鐵液的白口明顯減小。

表4 單鑄試棒機械性能及金相組織檢驗結果

3.3 鑄件硬度檢驗結果及分析

（1）對不同壁厚階梯試塊硬度及組織影響

為了考察兩種孕育方案對鑄件壁厚敏感性的影響，爐前澆注階梯試塊進行試驗。不同斷面的硬度及金相組織見表5。試驗表明，在冷卻速度最快的5mm斷面處，使用硅鐵孕育出現(xiàn)D型石墨，而使用硅鋇孕育的樣品則沒有出現(xiàn)D型石墨，其它厚度斷面金相組織差別不大。與使用普通硅鐵相比，使用硅鋇孕育劑后階梯試塊不同斷面硬度差減小。

表5 階梯試塊不同斷面的硬度及金相組織

（2）對鑄件同一平面（缸頂面）硬度的影響

從表6鑄件硬度檢驗結果看，二種工藝方案澆注的鑄件硬度接近，但是硬度差區(qū)別較大，即采用硅鋇復合孕育工藝方案鑄件硬度差明顯較小。

表6 缸體鑄件頂面硬度檢測結果（HB）

（3）鑄件本體檢測結果及分析

兩種孕育劑試驗澆注的缸體鑄件本體金相組織檢驗結果見表7，圖3～圖6為鑄件本體典型部位金相組織照片。從檢驗結果來看，兩種工藝方案的鑄件本體硬度與抗拉強度都達到了缸體鑄件材質工藝要求。但硅鐵孕育生產(chǎn)的鑄件軸承座處出現(xiàn)少量E型石墨，且油道、軸承座及缸頂面處石墨長度為3級，石墨長度偏長。而使用硅鋇孕育劑后，鑄件的組織均勻性得到改善。

表7 干式四缸體本體金相組織檢驗結果

3.4 試驗鑄件加工情況

試驗鑄件送冷加工廠加工，采用硅鋇復合孕育生產(chǎn)的鑄件，薄壁部位沒有再出現(xiàn)白口情況（檢視窗部位），在加工過程中檢測鑄件加工后表面硬度，硬度差14.5～20.3HB。而普通硅鐵孕育澆注的鑄件硬度差普遍在24～35HB。結果表明，使用硅鋇復合孕育可以改善鑄件的加工性能和組織均勻性。

3.5 試驗結果分析

（1）與普通硅鐵相比，硅鋇孕育劑增加一定量的鋇、鈣成分后，促進了鐵液的形核能力，容易形成細小、分散的石墨，適當增加共晶團數(shù)，從而提高了鑄件的力學性能。與加銅合金化相比，硅鋇復合孕育主要通過改善鑄件的微觀組織，來提高鑄件的力學性能。鉻銅合金化在高碳當量（4.1%左右）情況下，有利于增加和穩(wěn)定灰鑄鐵組織的珠光體含量。但是在碳當量控制在3.85%～3.95%情況下，使用硅鋇復合孕育與鉻配合，可以滿足鑄件材質性能要求。需要說明的是，從實踐生產(chǎn)來看，無論采取何種工藝，原鐵液成分的控制，特別是碳、硅含量的控制對鑄件性能影響很大。

（2）使用硅鋇孕育劑加鉻工藝代替貴重金屬銅后，能夠滿足缸體的材質性能要求。硅鋇孕育劑的成本比75硅鐵成本高約25%，但減少貴重金屬銅的加入，從最終結果來說可以較大幅度降低鑄件材料成本。

4 結論

（1）通過工藝驗證，說明在穩(wěn)定控制鐵液成分的條件下，使用硅鋇孕育劑復合孕育加鉻工藝代替貴重金屬銅，可以保證鑄件本體的機械性能與組織要求，鑄件成本得到降低。

（2）在缸體鑄件上使用硅鋇孕育劑后，與普通硅鐵孕育劑孕育相比，改善了鑄件的石墨形態(tài)和組織均勻性，解決了缸體鑄件薄壁部位白口和加工困難的問題。

（3）目前硅鋇孕育劑已在一拖鑄造公司生產(chǎn)缸體鑄件上得到應用，滿足了客戶的質量要求。

[1]徐桂芳,等.復合孕育劑在缸體發(fā)動機上的應用[J].江蘇理工大學學報，2001(22):62－65

[2]中國機械工程學會鑄造分會.鑄造手冊（鑄鐵卷）[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社，P256－257

Application Research of Silicon Barium Inoculants on Cylinder Block Castings

SONG Yan，YANG YongLu，LIANG JiaFang
（YTO（Luoyang）Casting Co.Ltd.,Luoyang 471004,Henan China）

The influence on material properties and microstucture of cylinder body castings with silicon barium inoculant and ferrosilicon inoculants being used has been studied,resulting in that the requirements for the mechanics properties and the microstucture of castings have been ensured with reduced casting production cost,after using silicon barium compound inoculation process instead of copper alloying technology.

Cylinder body:Silicon barium inoculants;Cost saving

TG223;

A；

1006－9658（2012）03－0031-4

2012－02－20

稿件編號：1203－026

宋巖（1984－），男，助理工程師，主要從事材料及工藝控制研究