鉻鉬銅磷大型氣缸套石墨細(xì)化工藝研究

盛舉 俞秋景

摘要：大型厚壁氣缸套由于其內(nèi)孔大、壁厚且外形復(fù)雜，組織中的石墨常過于粗大。這一方面會降低缸套的抗拉強(qiáng)度，另一方面粗大石墨易在缸套服役過程中成為裂紋源，增大缸套在大負(fù)荷、強(qiáng)震動下的開裂傾向。揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司用離心鑄造生產(chǎn)的直徑190～250mm的鉻鉬銅磷大型氣缸套，組織中的石墨過于粗大。為了提升產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，該廠組織力量，結(jié)合多年的氣缸套生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對其石墨細(xì)化問題進(jìn)行了專項(xiàng)研究。通過調(diào)整孕育處理工藝和冷卻過程，成功地將石墨等級由3～4級提升為4～5級。

關(guān)鍵詞：大型氣缸套 ?離心鑄造 ?石墨細(xì)化 ?孕育處理 ?控制冷卻

揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司用離心鑄造生產(chǎn)的直徑190～250mm的鉻鉬銅磷大型氣缸套，組織中的石墨過于粗大。為了提升產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，必須要將石墨細(xì)化。該廠組織力量，結(jié)合多年的氣缸套生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行了專項(xiàng)研究。

1 粗大石墨的成因

該廠生產(chǎn)的該型氣缸套，其材質(zhì)是合金鑄鐵，合金元素主要含鉻鉬銅磷。其碳含量在鐵碳相圖中位于亞共晶鑄鐵的范圍。從材料學(xué)上來說，石墨粗大是冷卻速度過慢造成的。冷卻速度越慢，形核率越低，且石墨處在高溫下的時間長，長大時間也長。值得提出的是，大型厚壁缸套由于尺寸大，內(nèi)部冷卻速度難免過慢，因而造成石墨粗大。但離心鑄造生產(chǎn)的氣缸套，還有一個石墨最易粗化的部位。在離心鑄造過程中，鐵水總是沿著澆注槽流向模具，鐵水落下的點(diǎn)被稱為落水點(diǎn)，該部位在離心鑄造過程中最后凝固，溫度也始終最高，冷卻最慢，因此石墨最易粗化。因此對該部位的石墨尺寸控制在整個工藝研究中至關(guān)重要。

2 解決方法

2.1 調(diào)整孕育處理。孕育處理不但可以促進(jìn)石墨化，且可以增大石墨在凝固過程中的形核率，而提高形核率可以細(xì)化組織。因此可通過在澆注收尾時加大孕育劑添加量來改善石墨粗大的問題。通常在大套澆注過程中均使用隨流孕育方式。但往往在實(shí)際操作時，鐵水還沒澆注完，孕育劑就已經(jīng)加完。這對落水點(diǎn)部位的石墨細(xì)化很不利。因此要嚴(yán)格保證在整個澆注過程中孕育劑始終都在隨流添加。而且要在澆注收尾前適當(dāng)加大孕育劑添加量，以增大落水點(diǎn)部位的孕育劑濃度，提高該部位的石墨形核率，細(xì)化石墨。

2.2 控制冷卻速度的工藝調(diào)整。根據(jù)鐵碳平衡相圖，亞共晶鑄鐵隨著鐵水溫度的降低，實(shí)際溫度首先到達(dá)液相線，從液相中析出奧氏體。這一過程并不析出石墨，所以這一階段的過冷度對白口化的影響不大，但溫度不宜下降到共晶點(diǎn)以下。當(dāng)溫度繼續(xù)下降，到達(dá)共晶點(diǎn)時，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，同時從液相中析出奧氏體和石墨，且在這個過程中，石墨是領(lǐng)先相。這個過程對石墨化尤為重要，控制石墨化主要在此階段進(jìn)行。若鐵水在此過程的過冷度很大，則鑄鐵不按平衡相圖凝固，而是按照Fe-Fe3C相圖凝固，此時發(fā)生白口化。

共晶轉(zhuǎn)變完成后，所有液相凝固完畢。此時鑄鐵進(jìn)入奧氏體和石墨的兩相區(qū)。溫度繼續(xù)降低，從共晶點(diǎn)到共析點(diǎn)這一階段，對白口化的影響不大，因?yàn)橐淮问呀?jīng)析出。但這個溫度范圍的冷卻速度對石墨尺寸的影響卻很大。控制石墨尺寸主要在這一階段進(jìn)行。若要得到細(xì)小石墨，則該過程的冷卻須盡可能快，以減少石墨長大時間。當(dāng)溫度繼續(xù)下降，到達(dá)共析點(diǎn)時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，在過冷度不太大時，奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體。

將上述過程簡單總結(jié)一下可分為三個階段，首先是鐵水凝固點(diǎn)到共晶點(diǎn)這一段溫度范圍，析出單相奧氏體;其次是共晶點(diǎn)到共析點(diǎn)這一溫度范圍，先析出奧氏體和石墨的共晶，然后共晶產(chǎn)物溫度降低;在共析點(diǎn)到室溫這一段，首先發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，然后共析產(chǎn)物和其它相冷卻。又因?yàn)橛衅渌辖鹪氐拇嬖冢瑢?shí)際凝固過程比灰鑄鐵的要復(fù)雜一點(diǎn)，會析出除上述相之外的一些其他相。這些析出相對石墨尺寸不起主導(dǎo)作用，而對強(qiáng)度、微觀縮孔等有影響。

由上可知，對工藝進(jìn)行調(diào)整需要知道三個關(guān)鍵溫度點(diǎn)，分別是熔點(diǎn)、共晶點(diǎn)、共析點(diǎn)。利用專門設(shè)計的小實(shí)驗(yàn)和計算工具對這三個關(guān)鍵溫度點(diǎn)進(jìn)行了測量和推算。然后調(diào)整現(xiàn)有工藝。在熔點(diǎn)以上要快冷，此時鐵水處于液相或液相和奧氏體兩相狀態(tài)。過冷度大一點(diǎn)，可使共晶轉(zhuǎn)變的形核率增大，使析出的石墨更細(xì)小，但又考慮到此階段是浮渣階段，冷速過快會使渣浮不到內(nèi)壁，成為夾渣，因此這一段的冷速要適中。

在溫度剛降到共晶點(diǎn)以下時，立刻減緩冷卻速度，以避免析出滲碳體。稍作停留，待共晶轉(zhuǎn)變完成后，再次加快冷卻速度，迅速降到共析點(diǎn)以下，不讓析出的一次石墨有較長時間長大。然后在共析點(diǎn)稍作停留，減緩冷卻速度，讓奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，其后出模。值得提出的是，石墨長大過程在較高的溫度范圍均會發(fā)生，只不過因溫度的高低，有速率差別而已。若出模溫度較高，還應(yīng)將毛坯分散空冷或吹風(fēng)加速冷卻，使其較快地降到室溫，避免石墨長大過多。當(dāng)然這里也要避免出模后的毛坯降溫過快而使硬度超出規(guī)定的范圍。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)之前的分析確定了工藝調(diào)整的方向，經(jīng)過數(shù)次摸索調(diào)整之后，逐漸確定了合適的工藝制度。在接下來幾個班次生產(chǎn)的產(chǎn)品中，石墨等級由3～4級提升為4～5級。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒廣明.離心鑄造濕式氣缸套耐磨性試驗(yàn)[J].內(nèi)燃機(jī)配件，1999（02）.

[2]凌漢光.離心鑄造汽缸套的質(zhì)量問題[J].熱加工工藝，1986（01）.

[3]林漢光.離心澆注大型氣缸套工藝總結(jié)[J].武漢造船，1974（Z1）.

作者簡介：

盛舉（1984-），男，江蘇揚(yáng)州人，揚(yáng)州五亭橋缸套有限公司鑄造分廠副廠長，助理工程師，研究方向：材料學(xué);俞秋景（1983-），男，江蘇揚(yáng)州人，項(xiàng)目主管，初級工程師，研究方向：材料學(xué)。