干式缸體爐前蠕化處理工藝及其力學性能

吳和保，張亞平，夏志全， 蔡安克，樊自田，董選普

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

0 引 言

在我國基礎設施建設和物流行業(yè)快速發(fā)展的大背景下，大功率載重車、工程機械和農(nóng)業(yè)機械保有量不斷增加，發(fā)動機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的性能要求，發(fā)動機工作可靠性、合金材料的抗拉強度、疲勞強度、耐熱性能和抗高溫蠕變性很難保證，開發(fā)高強度、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，對于改進大功率柴油發(fā)動機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，導熱性能和抗高溫蠕變性能惡化[5-7].本文在實驗研究的基礎上，結合中國一拖集團有限公司“東方紅100”系列柴油發(fā)動機缸體的結構特點，采用自制新型蠕化劑對鐵液進行沖入法蠕化處理，并澆注“東方紅100”系列柴油發(fā)動機缸體鑄件，探索蠕化處理工藝與石墨形態(tài)、力學性能之間的相互關系，為大功率柴油發(fā)動機缸體蠕墨鑄鐵合金材料的應用奠定良好的技術基礎.

1 實驗方案

1.1 鐵液化學成分的確定

根據(jù)新型蠕化劑的性能特點和“東方紅100”系列柴油機缸體的結構特點，化學成分設計需要充分考慮到鐵液凝固過程的收縮特點和性能要求，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險.澆注缸體鑄件的原鐵液的基本化學成分的質(zhì)量分數(shù)為:3.80%～4.20%C，1.70%～1.85%Si，≤0.5%Mn，≤0.06%P，0.07%S.同時為了強化基體組織，合金中加入0.5%Cu，從而獲得足夠多的細小珠光體組織和較高的抗拉強度.

1.2 蠕化劑的選用

根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，本實驗在中國一拖集團有限公司的工藝材料研究所進行的，蠕化劑采用課題組研制的新型蠕化劑，該化學成分如表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

實驗采用500 kg中頻感應電爐熔煉，原鐵液化學成分按照設計成分配料.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 實驗結果及分析

2.1 殘余Mg和殘余Re的質(zhì)量分數(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)量分數(shù)和殘余Re的質(zhì)量分數(shù)是關系到蠕化效果和石墨形態(tài)的關鍵參數(shù)，本實驗對每爐次澆注的Y型試樣、階梯試樣和缸體進行化學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)量分數(shù)與蠕墨鑄鐵的蠕化率、石墨形態(tài)、力學性能之間的相互關系.

表2列舉了本次實驗中的8組典型實驗數(shù)據(jù)，當蠕化劑的加入量為0.5%～2.0%，檢測得到的殘余Mg和殘余Re的質(zhì)量分數(shù)分別為：0.008%～0.032%、0.029%～0.127%.石墨形態(tài)分析的結果顯示，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)量分數(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、硫等元素反應而進入爐渣.Mg、Re的增加使鑄鐵合金的石墨形態(tài)逐步由片狀石墨轉變成蠕蟲狀石墨.當蠕墨鑄鐵的殘余Mg的質(zhì)量分數(shù)在0.015%～0.025%之間，殘余Re的質(zhì)量分數(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械性能受到蠕化劑加入量的影響分析

在實驗過程中，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”缸體鑄件結構及其石墨組織和布氏硬度取樣點示意圖，檢測結果如表3所示.

實驗的結果表明，當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，蠕化率均可以達到50%以上，抗拉強度都可以在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，能滿足形狀復雜缸體蠕墨鑄鐵的質(zhì)量要求.但是，當蠕化劑加入量不足時，石墨形態(tài)則為粗大的片狀石墨，抗拉強度只有169 MPa，遠低于普通灰鑄鐵的抗拉強度.這主要是因為蠕墨鑄鐵爐前處理時，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，從而使抗拉強度明顯下降.同時，當蠕化劑加入量達到2.0%以上時，蠕化率下降明顯，球狀石墨增加，抗拉強度顯著增加，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，達不到缸體類鑄件的質(zhì)量要求，也會降低合金材料的導熱性能和抗高溫蠕變性能，難以滿足大功率柴油發(fā)動機工作性能的要求[8-11].因此，為了使鑄鐵合金干式柴油機缸體具有良好的力學性能、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

實驗編號蠕化劑加入量的體積分數(shù)/% 不同壁厚處缸體的石墨形態(tài) 力學性能 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 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鍵元素是殘余Mg的質(zhì)量分數(shù)，應控制在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)缸體結構特征研制的新型蠕化劑蠕化處理效果穩(wěn)定可靠，當蠕化劑的加入量在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)柴油機缸體鑄件需嚴格控制鐵液的化學成分，碳、硅的質(zhì)量分數(shù)分別應控制在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有限公司工藝材料研究所完成實驗和數(shù)據(jù)采集，并在華中科技大學材料科學與工程學院完成數(shù)據(jù)分析計算，在此表示衷心的感謝！

[1] 楊永錄，趙志康，朱玉樂，等.蠕墨鑄鐵缸體試驗研究[J].現(xiàn)代鑄鐵，2006(1)：66-68. YANG Yong-lu,ZHAO Zhi-kang,ZHU Yu-le,et al.Development of vermicular iron cylinder block[J].Modern Cast Iron,2006(1):66-68.(in Chinese)

[2] Guesser W,Schroeder T,Dawson S.Production experience with compacted graphite iron automotive components[J].AFS Transactions,2001(71): 1211-1216.

[3] Dawson S,Schroeder T.Practical applications for com-pacted graphite iron[J].AFS Transactions,2004(47) :129-127.

[4] 陳位銘，金勝燦.蠕墨鑄鐵CA6110柴油機缸體的試驗研究[J].鑄造技術，2006，27(4)：341-343. CHEN Wei-ming,JIN Sheng-can.Experimental study on compacted graphite iron CA6110 diesel engine cylinder block[J].Foundry Technology,2006,27(4):341-343.(in Chinese)

[5] Geier G F， Bauer W,McKay B J P.Schumacher Microstructure transition from lamellar to compacted graphite using different modification agents[J].Materials Science and Engineering A，2005(413-414)：339-345.

[6] 邱漢泉，陳正德.中國蠕墨鑄鐵40年(二)[J].中國鑄造技術及裝備，2006(2)：2-7. QIU Han-quan,CHEN Zheng-de.The 40 years of vermicular graphite cast Iron in China[J].China Foundry Machinery & Technology,2006(2)：2-7.(in Chinese)

[7] 李炳華，杜欣.蠕墨鑄鐵在柴油機部件上的應用[J].現(xiàn)代鑄鐵.2007(3)：68-71. LI Bing-hua,DU Xin.The application of vermicular iron in diesel engine parts[J].Modern Cast Iron,2007(3)：68-71.(in Chinese)

[8] 吳和保，李曉薇，龍玉陽，等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡快速預測蠕墨鑄鐵的性能[J].武漢工程大學學報.2013，35(10)：63-67. WU He-bao,LI Xiao-wei,LONG Yu-yang et al.Fast prediction of vermicular graphite cast iron property based on back propagation neutral network[J].Wuhan Institute of Technology,2013,35(10): 63-67.(in Chinese)

[9] 劉文曾，郭亞輝，蔡安克，等.缸體用蠕墨鑄鐵生產(chǎn)工藝的研究[J].中國鑄造裝備與技術，2009(6):37-39. LIU Wen-zeng,GUO Ya-hui,CAI An-ke,et al.A study of vermicular graphite cast Iron technology to produce cylinder block[J].China Foundry Machinery & Technology,2009(6):37-39.(in Chinese)

[10] 蔡安克，吳和保，范隨長，等.新型蠕化劑加入量對柴油發(fā)動機缸體材料蠕墨鑄鐵的組織與性能的影響[J].中國機械工程,2010(7):868-871. CAI An-ke，Wu He-bao，F(xiàn)AN Sui-chang,et al.Effect of new vermicular agent on macrostructure and properties of compacted graphite iron for diesel engine cylinder block[J].China Mechanical Engineering,2010(7)：868-871.(in Chinese)

[11] 吳和保，柯超，竺東杰,等.實時溫度測控系統(tǒng)在材料濃縮提取技術上的應用[J].武漢工程大學學報，2014,36(1):63-68. WU He-bao,KE Chao,ZHU Dong-jie,et al.Temperature control system in material concentrated extroction technology of application[J].Wuhan Institute of Technology,2014,36(1):63-68.(in Chinese)