Si/C比對(duì)硼鑄鐵氣缸套力學(xué)性能的影響

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北武漢 430050)

Si/C比對(duì)硼鑄鐵氣缸套力學(xué)性能的影響

嚴(yán)繼斌

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北武漢 430050)

通過試驗(yàn)研究了在碳當(dāng)量CE=3.8%時(shí)，Si/C比值對(duì)抗拉強(qiáng)度和硬度的影響，確定了生產(chǎn)硼鑄鐵氣缸套理想的Si/C比值。

硅碳比；硼鑄鐵；抗拉強(qiáng)度；硬度

硼鑄鐵是最近應(yīng)用發(fā)展較快的一種新型的耐磨材料，因其優(yōu)良的耐磨性能，為眾多企業(yè)廣泛地應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸套和活塞環(huán)等零件。目前國內(nèi)氣缸套大多采用離心鑄造生產(chǎn)，離心鑄造生產(chǎn)時(shí)，由于鑄型是金屬型，冷卻速度比較快，使得組織中容易形成共晶萊氏體、D型和E型晶間石墨，又由于硼鑄鐵中硼元素反石墨化的能力較強(qiáng)，容易產(chǎn)生白口組織，并使硼復(fù)合物呈枝晶狀分布，導(dǎo)致氣缸套的抗拉強(qiáng)度降低，硬度明顯升高，給氣缸套的切削加工和使用造成一定的困難。氣缸套是內(nèi)燃機(jī)的核心零件之一，一般要求抗拉強(qiáng)度σb≥250 MPa。為改善硼鑄鐵氣缸套的力學(xué)性能，我們就Si/C比值對(duì)硼鑄鐵氣缸套抗拉強(qiáng)度和硬度及切削加工的影響進(jìn)行了研究，選定碳當(dāng)量為3.8%，只改變Si/C比例，對(duì)各種Si/C下的拉伸強(qiáng)度、硬度進(jìn)行觀察和測(cè)定，期望獲得理想的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

選定碳當(dāng)量為3.8%，Si/C分別定為0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9，進(jìn)行五組數(shù)據(jù)的試驗(yàn)。按此條件要求將生鐵、廢鋼、回爐料、硅鐵、錳鐵和硼鐵等依配料比例加入500 kg中頻感應(yīng)電爐中熔化，取得鐵水試樣的化學(xué)成分，升溫至1 450～1 500 ℃，鐵水出爐，經(jīng)孕育處理后澆注干型單鑄試棒，得到5組15根Φ30 mm×300 mm的試棒，作拉伸試驗(yàn)使用。剩余鐵水經(jīng)稱重、靜置、打渣處理后，澆入高速運(yùn)轉(zhuǎn)的鑄型中進(jìn)行離心鑄造，經(jīng)冷卻，內(nèi)孔呈暗紅色約900 ℃時(shí)，停機(jī)脫模，獲得氣缸套毛坯。五組試樣的化學(xué)成分見表1。

表1 試樣的化學(xué)成分 ( wb%)

1.2 抗拉強(qiáng)度的測(cè)定

根據(jù)GB9439-88要求，試驗(yàn)試棒經(jīng)機(jī)加工后制成Φ20×225 mm的拉伸試棒，使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)ZDM-30t,在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定并計(jì)算每組3根試棒的拉伸強(qiáng)度的平均值。

1.3 硬度的測(cè)定

根據(jù)GB231和GB230規(guī)定，在氣缸套本體距上端面50～80 mm范圍內(nèi)截取環(huán)片，磨平后使用布氏硬度機(jī)HB-3000在氣缸套環(huán)片橫截面上均勻打出3個(gè)壓痕，查表后取其平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

Si/C比值在0.5、0.6、 0.7、0.8、0.9之間5個(gè)試驗(yàn)數(shù)值，測(cè)量出它們的抗拉強(qiáng)度σb和布氏硬度HB，見表2。

表2 Si/C比值在0.5-0.9之間的σb值和HB

Si/C對(duì)抗拉強(qiáng)度和硬度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 Si/C對(duì)抗拉強(qiáng)度和布氏硬度的影響

2.1 Si/C對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

從圖1中可以看出，碳當(dāng)量一定時(shí)(CE=3.8%)， Si/C對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響還是比較大的，當(dāng)Si/C從0.5增加到0.6時(shí)，抗拉強(qiáng)度從190 MPa增加到251 MPa，從0.6增加到0.7時(shí)，抗拉強(qiáng)度繼續(xù)上升到285 MPa，這是由于隨著 Si/C的提高，Si含量增加，C含量減少，基體組織中珠光體數(shù)量有所增加，Si固溶于基體中，起到固溶強(qiáng)化珠光體的作用，而C含量的降低，也在一定程度減少了石墨數(shù)量，對(duì)基體的割裂作用減小，所以抗拉強(qiáng)度增高。而當(dāng)Si/C提高到0.8時(shí)，抗拉強(qiáng)度降為268 MPa，Si/C繼續(xù)增加到0.9時(shí)，抗拉強(qiáng)度下降到232 MPa。這是因?yàn)镾i是強(qiáng)烈的促進(jìn)石墨化元素，當(dāng)Si含量達(dá)到一定程度時(shí)，接近促進(jìn)石墨化的臨界值以后，固溶鐵素體中的硅量增多，強(qiáng)化了鐵素體(包括珠光體中的鐵素體)；Si/C比值的不斷提高，共析轉(zhuǎn)變的溫度也在升高，使珠光體在高溫下生成，片間距增大，易粗化而降低強(qiáng)度；又因高硅使碳在奧氏體中的溶解度急劇下降，并擴(kuò)大了鐵素體+奧氏體+石墨三相區(qū)的范圍，使奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變量增多。因此當(dāng)Si/C達(dá)到一定值時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨著 Si/C的提高反而下降。

2.2 Si/C對(duì)硬度的影響

從圖1中也可以看出，隨著 Si/C的不斷提高，布氏硬度HB是呈下降的趨勢(shì)，只是在Si/C=0.7以后，下降的趨勢(shì)比較平緩，差別不大。這說明Si/C比值對(duì)布氏硬度是有重要影響的。在CE=3.8%時(shí)，提高Si/C，鐵素體析出不斷增多，珠光體含量降低，故而使布氏硬度降低，當(dāng)Si/C=0.7以后，鐵素體增加不再明顯，硬度變化也就不大。

2.3 Si/C對(duì)切削加工的影響

硅是強(qiáng)烈石墨化促進(jìn)元素，隨著 Si/C的提高，硅含量增加，引起石墨片粗大﹑增多。石墨越多，基體承載面積越少，石墨片越粗大，使基體更易于切削加工。硅的強(qiáng)烈石墨化作用，有利于碳原子的擴(kuò)散﹑聚集，使石墨長(zhǎng)大，數(shù)量增多，而石墨的強(qiáng)度極低，均勻分布會(huì)使基體的硬度降低。硅含量增加，使白口組織明顯減少，提高了零件的切削加工性能。

3 結(jié) 語

在碳當(dāng)量CE=3.8%時(shí)，可以得出如下結(jié)論：

(1)Si/C對(duì)氣缸套的抗拉強(qiáng)度﹑硬度有很大影。Si/C比值從0.5→0.6→0.7→0.8→0.9變化時(shí)，抗拉強(qiáng)度先升后降，硬度呈下降趨勢(shì)。在Si/C=0.7時(shí)，抗拉強(qiáng)度為285MPa，硬度為HB241，力學(xué)性能較為理想。生產(chǎn)硼鑄鐵氣缸套時(shí)Si/C為0.70-0.75比較合適。

(2)提高Si/C比值，有利于改善鑄件切削加工性能。

1 陸文華，李隆盛. 鑄造合金及其熔煉[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

2 夏青，劉亞民，姚定幫. Si/C對(duì)灰鑄鐵組織和性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2003(6):16-17.

3 孫國雄，陸志東，丁幫太. 灰鑄鐵硅碳比選擇[J].鑄造，1988(5)：1-4.

4 肖柯則. 論高Si/C值灰口鑄鐵[J].鑄造，1987(5).

5 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì).鑄造手冊(cè)(第一卷)鑄鐵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

EffectofSi/CRatioOnMechanicalPropertiesofBoronCastIronCylinderLiner

YANJi-bin

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050，China)

In this paper，the effect of Si/C ratio on tensile strength and hardness is studied by experiment withthe carbon equivalent CE=3.8%，the ideal Si/C ratio for producing boron cast iron cylinder liners is determined.

silicon-carbon ratio；boron cast iron；tensile strength；hardness

TG24

A

1671-8100(2017)04-0036-03

2017-06-11

嚴(yán)繼斌，男，高級(jí)工程師，主要從事材料工程技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作。

(責(zé)任編輯：譚銀元)